13 Nov

也来谈谈RNN的梯度消失/爆炸问题

尽管Transformer类的模型已经攻占了NLP的多数领域,但诸如LSTM、GRU之类的RNN模型依然在某些场景下有它的独特价值,所以RNN依然是值得我们好好学习的模型。而对于RNN梯度的相关分析,则是一个从优化角度思考分析模型的优秀例子,值得大家仔细琢磨理解。君不见,诸如“LSTM为什么能解决梯度消失/爆炸”等问题依然是目前流行的面试题之一...

经典的LSTM

经典的LSTM

关于此类问题,已有不少网友做出过回答,然而笔者查找了一些文章(包括知乎上的部分回答、专栏以及经典的英文博客),发现没有找到比较好的答案:有些推导记号本身就混乱不堪,有些论述过程没有突出重点,整体而言感觉不够清晰自洽。为此,笔者也尝试给出自己的理解,供大家参考。

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本文的主题是“为什么我们需要有限的学习率”,所谓“有限”,指的是不大也不小,适中即可,太大容易导致算法发散,这不难理解,但为什么太小也不好呢?一个容易理解的答案是,学习率过小需要迭代的步数过多,这是一种没有必要的浪费,因此从“节能”和“加速”的角度来看,我们不用过小的学习率。但如果不考虑算力和时间,那么过小的学习率是否可取呢?Google最近发布在Arxiv上的论文《Implicit Gradient Regularization》试图回答了这个问题,它指出有限的学习率隐式地给优化过程带来了梯度惩罚项,而这个梯度惩罚项对于提高泛化性能是有帮助的,因此哪怕不考虑算力和时间等因素,也不应该用过小的学习率。

对于梯度惩罚,本博客已有过多次讨论,在文章《对抗训练浅谈:意义、方法和思考(附Keras实现)》《泛化性乱弹:从随机噪声、梯度惩罚到虚拟对抗训练》中,我们就分析了对抗训练一定程度上等价于对输入的梯度惩罚,而文章《我们真的需要把训练集的损失降低到零吗?》介绍的Flooding技巧则相当于对参数的梯度惩罚。总的来说,不管是对输入还是对参数的梯度惩罚,都对提高泛化能力有一定帮助。

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15 Sep

殊途同归的策略梯度与零阶优化

深度学习如此成功的一个巨大原因就是基于梯度的优化算法(SGD、Adam等)能有效地求解大多数神经网络模型。然而,既然是基于梯度,那么就要求模型是可导的,但随着研究的深入,我们时常会有求解不可导模型的需求,典型的例子就是直接优化准确率、F1、BLEU等评测指标,或者在神经网络里边加入了不可导模块(比如“跳读”操作)。

Gradient

Gradient

本文将简单介绍两种求解不可导的模型的有效方法:强化学习的重要方法之一策略梯度(Policy Gradient),以及干脆不需要梯度的零阶优化(Zeroth Order Optimization)。表面上来看,这是两种思路完全不一样的优化方法,但本文将进一步证明,在一大类优化问题中,其实两者基本上是等价的。

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28 Jun

积分梯度:一种新颖的神经网络可视化方法

本文介绍一种神经网络的可视化方法:积分梯度(Integrated Gradients),它首先在论文《Gradients of Counterfactuals》中提出,后来《Axiomatic Attribution for Deep Networks》再次介绍了它,两篇论文作者都是一样的,内容也大体上相同,后一篇相对来说更易懂一些,如果要读原论文的话,建议大家优先读后一篇。当然,它已经是2016~2017年间的工作了,“新颖”说的是它思路上的创新有趣,而不是指最近发表。

笔者在中文情感分类上对积分梯度的实验效果(越红的token越重要)

笔者在中文情感分类上对积分梯度的实验效果(越红的token越重要)

所谓可视化,简单来说就是对于给定的输入$x$以及模型$F(x)$,我们想办法指出$x$的哪些分量对模型的决策有重要影响,或者说对$x$各个分量的重要性做个排序,用专业的话术来说那就是“归因”。一个朴素的思路是直接使用梯度$\nabla_x F(x)$来作为$x$各个分量的重要性指标,而积分梯度是对它的改进。然而,笔者认为,很多介绍积分梯度方法的文章(包括原论文),都过于“生硬”(形式化),没有很好地突出积分梯度能比朴素梯度更有效的本质原因。本文试图用自己的思路介绍一下积分梯度方法。

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23 Jun

不少读者都应该知道,损失函数与评测指标的不一致性是机器学习的典型现象之一,比如分类问题中损失函数用交叉熵,评测指标则是准确率或者F1,又比如文本生成中损失函数是teacher-forcing形式的交叉熵,评测指标则是BLEU、ROUGE等。理想情况下,当然是评测什么指标,我们就去优化这个指标,然而评测指标通常都是不可导的,而我们多数都是使用基于梯度的优化器,这就要求最小化的目标必须是可导的,这是不一致性的来源。

前些天在arxiv刷到了一篇名为《MLE-guided parameter search for task loss minimization in neural sequence modeling》的论文,顾名思义,它是研究如何直接优化文本生成的评测指标的。经过阅读,笔者发现这篇论文很有价值,事实上它提供了一种优化评测指标的新思路,适用范围并不局限于文本生成中。不仅如此,它甚至还包含了一种理解可导优化与不可导优化的统一视角

采样视角

首先,我们可以通过采样的视角来重新看待优化问题:设模型当前参数为$\theta$,优化目标为$l(\theta)$,我们希望决定下一步的更新量$\Delta\theta$,为此,我们先构建分布
\begin{equation}p(\Delta\theta|\theta)=\frac{e^{-[l(\theta + \Delta\theta) - l(\theta)]/\alpha}}{Z(\theta)},\quad Z(\theta) = \int e^{-[l(\theta + \Delta\theta) - l(\theta)]/\alpha} d(\Delta\theta)\end{equation}

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5 Jun

本文介绍来自MIT的一篇ICLR2020满分论文《Why gradient clipping accelerates training: A theoretical justification for adaptivity》,顾名思义,这篇论文就是分析为什么梯度裁剪能加速深度学习的训练过程。原文很长,公式很多,还有不少研究复杂性的概念,说实话对笔者来说里边的大部分内容也是懵的,不过大概能捕捉到它的核心思想:引入了比常用的L约束更宽松的约束条件,从新的条件出发论证了梯度裁剪的必要性。本文就是来简明分析一下这个过程,供读者参考。

梯度裁剪

假设需要最小化的函数为$f(\theta)$,$\theta$就是优化参数,那么梯度下降的更新公式就是
\begin{equation}\theta \leftarrow \theta-\eta \nabla_{\theta} f(\theta)\end{equation}
其中$\eta$就是学习率。而所谓梯度裁剪(gradient clipping),就是根据梯度的模长来对更新量做一个缩放,比如
\begin{equation}\theta \leftarrow \theta- \eta \nabla_{\theta} f(\theta)\times \min\left\{1, \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert}\right\}\label{eq:clip-1}\end{equation}
或者
\begin{equation}\theta \leftarrow \theta- \eta \nabla_{\theta} f(\theta)\times \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert+\gamma}\label{eq:clip-2}\end{equation}
其中$\gamma > 0$是一个常数。这两种方式都被视为梯度裁剪,总的来说就是控制更新量的模长不超过一个常数,第二种形式也跟RMSProp等自适应学习率优化器相关。此外,更精确地,我们有下面的不等式
\begin{equation}\frac{1}{2}\min\left\{1, \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert}\right\}\leq \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert+\gamma}\leq \min\left\{1, \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert}\right\}\end{equation}
也就是说两者是可以相互控制的,所以其实两者基本是等价的。

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31 Oct

从去噪自编码器到生成模型

在我看来,几大顶会之中,ICLR的论文通常是最有意思的,因为它们的选题和风格基本上都比较轻松活泼、天马行空,让人有脑洞大开之感。所以,ICLR2020的投稿论文列表出来之后,我也抽时间粗略过了一下这些论文,确实发现了不少有意思的工作。

其中,我发现了两篇利用去噪自编码器的思想做生成模型的论文,分别是《Learning Generative Models using Denoising Density Estimators》《Annealed Denoising Score Matching: Learning Energy-Based Models in High-Dimensional Spaces》。由于常规做生成模型的思路我基本都有所了解,所以这种“别具一格”的思路就引起了我的兴趣。细读之下,发现两者的出发点是一致的,但是具体做法又有所不同,最终的落脚点又是一样的,颇有“一题多解”的美妙,遂将这两篇论文放在一起,对比分析一翻。

fashion mnist、CelebA、cifar10上的生成效果

fashion mnist、CelebA、cifar10上的生成效果

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8 Jul

用时间换取效果:Keras梯度累积优化器

现在Keras中你也可以用小的batch size实现大batch size的效果了——只要你愿意花$n$倍的时间,可以达到$n$倍batch size的效果,而不需要增加显存。

Github地址:https://github.com/bojone/accum_optimizer_for_keras

扯淡

在一两年之前,做NLP任务都不用怎么担心OOM问题,因为相比CV领域的模型,其实大多数NLP模型都是很浅的,极少会显存不足。幸运或者不幸的是,Bert出世了,然后火了。Bert及其后来者们(GPT-2、XLNET等)都是以足够庞大的Transformer模型为基础,通过足够多的语料预训练模型,然后通过fine tune的方式来完成特定的NLP任务。

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