问题

如何把梯度传递过Argmax?

回答
在神经网络中,我们经常需要进行一些离散的选择,比如分类任务中的最终输出层。这时,`argmax` 操作就派上了用场,它能帮我们找到概率最高的那个类别的索引。然而,`argmax` 本身是一个不可导的操作,这意味着我们无法直接将梯度从损失函数传递回模型的参数。这就像是“卡住了”,我们无法通过反向传播来优化模型。

那么,我们如何绕过这个“死胡同”,让梯度能够“穿过”`argmax`,从而实现对模型的训练呢?这背后涉及一些巧妙的技巧,我来为大家详细道来。

问题的根源:为什么argmax不能直接传递梯度?

让我们先回到数学的本质。导数(或者说梯度)描述的是一个函数输出相对于其输入的微小变化率。换句话说,它告诉我们,当我们稍微改变输入时,输出会如何变化。

`argmax` 函数的功能是找到一个向量中最大值的索引。例如,输入是 `[0.1, 0.8, 0.2]`,`argmax` 的输出就是 `1`(索引从0开始)。

问题来了,如果我们稍微改变输入,比如变成 `[0.1, 0.81, 0.2]`,`argmax` 的输出仍然是 `1`。再比如,变成 `[0.1, 0.79, 0.2]`,输出还是 `1`。再比如,变成 `[0.9, 0.8, 0.2]`,输出就变成了 `0`。

你会发现,`argmax` 的输出值(也就是索引)在输入值发生微小变化时,可能保持不变,也可能突然发生跳跃式的改变。这种“不连续”、“不平滑”的特性,正是导致它不可导的原因。在数学上,它在大多数点上导数为零,但在某些“边界点”上,导数是无限大或者不存在的。

如何“糊弄”梯度:代理函数(Surrogate Functions)

既然 `argmax` 本身不行,我们就得找个“替代品”,一个在行为上尽可能模仿 `argmax`,但又是可导的函数。这就像是在一场足球比赛中,你不能直接用身体撞倒对方球员(犯规),但你可以用一个巧妙的假动作来晃过他。这些替代品,我们就称之为“代理函数”。

最经典、也最常用的代理函数就是 Softmax + GumbelSoftmax 技巧。

1. Softmax:迈出第一步

Softmax 函数是 `argmax` 的一个“软化”版本。它不会直接输出一个唯一的索引,而是将输入值转换成一个概率分布。输出是所有类别的概率,并且所有概率的总和为1。

举个例子,如果输入是 `[0.1, 0.8, 0.2]`,Softmax 的输出可能是 `[0.25, 0.55, 0.20]`(这些数字只是示意,实际值需要计算)。

优点: Softmax 是一个可导的函数。它的梯度可以很平滑地传递。
缺点: Softmax 输出的是一个概率分布,而不是一个确定的选择。在很多情况下,我们仍然需要一个明确的、离散的选择。

2. GumbelSoftmax:让“软”变“硬”

GumbelSoftmax 技巧正是为了解决 Softmax 的“不够硬”的问题,同时又能保持可导性。它在 Softmax 的基础上,引入了随机性,并巧妙地控制这个随机性,使得最终的输出尽可能地接近 `argmax` 的结果,但又能让梯度顺利通过。

GumbelSoftmax 的核心思想是:

a. 引入 Gumbel 噪声: 对于每个输入值 `z_i`(通常是神经网络的输出,例如 logits),我们先给它加上一个 Gumbel 噪声。Gumbel 噪声是一种特殊的随机变量,它的累积分布函数 (CDF) 是 `exp(exp(x))`,而且它有一个很强的性质,就是 `z_i + Gumbel(0, 1)` 的 Softmax 结果,与原始 `z_i` 的 Softmax 结果有着特殊的统计关系。

具体来说,我们为每个输入 `z_i` 生成一个 Gumbel 噪声 `g_i`,然后计算 `y_i = z_i + g_i`。

b. Softmax 加上噪声: 对 `y_i` 应用 Softmax 函数,得到一个“加了噪声的 Softmax”输出:
`p_i = exp(y_i / au) / sum_j exp(y_j / au)`

这里的 ` au`(tau)是一个温度参数(temperature parameter)。

c. “硬化”操作(Sampling):
推理阶段(Inference/Evaluation): 在模型评估或推理时,我们希望得到一个确定的离散选择,这时我们直接对 Softmax 的输出 `p_i` 进行 `argmax` 操作。
训练阶段(Training): 这是关键!为了让梯度能够传递,我们不能直接 `argmax`。GumbelSoftmax 使用了一个技巧叫做 “重参数化技巧”(Reparameterization Trick)。它允许我们将随机性从计算图中“分离”出来。

我们不是直接取 `p_i`,而是通过一个被称为 “直通估计器”(StraightThrough Estimator) 的方式来“模拟” `argmax` 的行为。简单来说,就是在前向传播时,我们根据 `p_i` 的概率进行采样,得到一个 onehot 向量(例如 `[0, 1, 0]`)。然后,在反向传播时,我们 “忽略” 这个采样过程,直接将 `argmax` 的梯度“传递”给 Softmax 的输入 `y_i`。

更具体一点,GumbelSoftmax 的训练过程是这样的:
在前向传播时,计算 `p_i = exp((z_i + g_i) / au)`。
根据 `p_i` 采样得到一个 onehot 向量 `s`(例如,如果 `p_i` 是 `[0.2, 0.6, 0.2]`,我们以 0.6 的概率采样到 `[0, 1, 0]`)。
关键: 在反向传播时,我们不计算 `s` 对 `z_i` 的梯度(因为采样过程是不可导的),而是直接将 Softmax 输出 `p_i` 的梯度“复制”给 `z_i`。就好比,我们假装 `s` 的梯度直接来自于 `z_i` 的 Softmax 输出。

温度参数 ` au` 的作用

温度参数 ` au` 在 GumbelSoftmax 中扮演着至关重要的角色:

当 ` au` 很大时: Softmax 函数的输出会非常“平滑”,所有类别的概率都接近均匀分布。这使得采样结果非常随机,模型很难学到确定的模式。
当 ` au` 很小时: Softmax 函数的输出会变得非常“尖锐”,接近于 `argmax` 的行为。最有可能的那个类别的概率会非常高,其他类别的概率会非常低。
训练策略: 通常的做法是,在训练的早期使用一个较大的 ` au`,鼓励模型进行探索。然后,随着训练的进行,逐渐减小 ` au`,让模型逐渐收敛到更“硬”的、接近 `argmax` 的输出。这种“退火”策略(annealing)有助于稳定训练过程。

GumbelSoftmax 的数学表达

为了更精确,我们来看看 GumbelSoftmax 的一个常见实现(也称为 Concrete Distribution):

1. 为每个 `z_i`(logits)计算 `u_i = exp((z_i max(z)) / au)`。这一步是为了数值稳定性。
2. 生成 `g_i ~ Gumbel(0, 1)` 独立的随机变量。
3. 计算 `v_i = u_i exp(g_i / au)`。
4. 计算 `p_i = v_i / sum_j v_j`。

在前向传播中,我们从 `p` 分布中采样一个 onehot 向量 `y`。
在反向传播中,梯度通过 Softmax 传递到 `z_i`。

其他“绕过”argmax 的方法

虽然 GumbelSoftmax 是目前最流行和有效的方法之一,但也有其他一些思路:

Relaxation: 寻找一个连续的、可微的函数来近似 `argmax`。Softmax 本身就是一种 relaxation,而 GumbelSoftmax 进一步加强了这种“硬化”的程度。
Reinforcement Learning (RL) 方法: 将离散选择视为一个“动作”,然后使用强化学习的策略梯度方法来优化。这种方法通常更复杂,需要更多的超参数调优。
Score Function Estimator (REINFORCE): 也是一种强化学习的方法,通过计算“得分函数”来估计梯度。

总结一下,我们是如何把梯度传递过 Argmax 的:

核心在于使用一个 代理函数(Surrogate Function) 来替代不可导的 `argmax`。最常用的代理函数是 GumbelSoftmax。

1. Softmax 提供了一个可导的概率分布,这是基础。
2. Gumbel 噪声 和 温度参数 ` au` 结合,使得 Softmax 的输出在训练时能够更接近 `argmax` 的行为。
3. 重参数化技巧(特别是 StraightThrough Estimator) 是关键,它允许我们在训练时,尽管前向传播是随机采样(onehot),但在反向传播时,我们能够“借用” Softmax 的梯度,让梯度顺利流回模型参数。

通过这些精巧的设计,我们就能在反向传播中“欺骗”神经网络,让它以为梯度可以直接通过 `argmax`,从而有效地优化模型,即使我们的决策过程是离散的。

希望这个详细的解释能帮助大家理解这个看似棘手的问题!

网友意见

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soft argmax,实际上就是softmax的结果乘上坐标[0 1 2 3 ... n]。

参考文献:

Numerical Coordinate Regression with Convolutional Neural Networks

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