Telegram Group & Telegram Channel
Gumbel-Softmax - памятка себе на будущее

Итак, представим что у нас есть какая-то вероятностная модель, в которой сэмплирование из распределения является её частью. Самым банальным примером, пожалуй, является VAE.

VAE - это автоэнкодер, состоящий из моделей q(z|x) и p(x|z), которые выдают распределение на скрытую компоненту z по входу x и наоборот. В базовом варианте z имеет нормальное распределение N(m;d), и энкодер выдаёт параметры этого распределения - средние m и ст. отклонения d.

При обучении подобной модели у нас возникает градиент ошибки по сэмплу из z. Как пробросить градиент назад в модели "сквозь" это сэмплирование? В лоб сделать это не получится, и для этого применяют простой советский Reparametrization Trick.

Его суть в том, что процесс сэмплирования отделяют от основной цепочки вычислений и оформляют как входную вершину вычислительного графа. В случае с нормальным распределением, мы сначала отдельно сэмплируем eps из N(0;1), а затем умножаем его на d и прибавляем m. По факту результат тот же самый, но он превращает нейросеть в цепочку детерминированных операций и позволяет пробрасывать градиент бэкпропом.

Gumbel-Softmax - то же самое, но для категориального распределения.

Вместо обычного VAE давайте взглянем на VQ-VAE - альтернативный вариант автоэнкодера, в котором вместо сжатия в нормальное распределение происходит сжатие в категориальное распределение на "коды". Внутри модели хранится Codebook, который превращает номер кода обратно в эмбеддинг во время декодинга.

Итак, в сердцевине модели находится такая цепочка вычислений: logits -> probs -> one-hot vector -> embedding. При переходе из probs к one-hot vector как раз и возникает сэмплирование из категориального распределения, сквозь которое нельзя пробросить градиент напрямую.

Gumbel-Softmax позволит приближенно осуществить этот переход с помощью детерминированной операции. Если к логарифму от вектора probs прибавить вектор из распределения Гумбеля (аналог N(0;1) в данном случае), то argmax итогового вектора будет распределён так же, как и исходное распределение.

Последняя проблема - argmax сам недифференцируем, поэтому его заменяют на софтмакс с маленькой температурой. В итоге, получая на вход [0.2;0.8], эта операция будет выдавать [0.001; 0.999] в 80% случаев и [0.999;0.001] в 20 процентах случаев.

Самый большой затык вызывает следующий вопрос - в чём профит этой штуки по сравнению с тем, чтобы просто использовать [0.2;0.8] в дальнейших операциях, если там всё равно не требуется строгий one-hot вектор?

Я объясняю это так - во время обучения мы хотим, чтобы все последующие части модели получали на вход реалистичные сэмплы из категориального распределения. Если наша модель будет учиться на размазанных векторах, то мы не сможем во время инференса просто начать сэмплировать код - декодер не выкупит этот пранк.

А что делать в случае, когда нам реально нужен строгий one-hot вектор, например, если это RL и мы совершаем действие? Авторы оригинальной статьи предлагают комбинировать Straight Through Estimator и Gumbel Softmax, т.е. использовать [1; 0], а градиент пробрасывать так, как будто там был [0.999; 0.001]. Но я никогда не встречал применения такой схемы.

@knowledge_accumulator



tg-me.com/knowledge_accumulator/265
Create:
Last Update:

Gumbel-Softmax - памятка себе на будущее

Итак, представим что у нас есть какая-то вероятностная модель, в которой сэмплирование из распределения является её частью. Самым банальным примером, пожалуй, является VAE.

VAE - это автоэнкодер, состоящий из моделей q(z|x) и p(x|z), которые выдают распределение на скрытую компоненту z по входу x и наоборот. В базовом варианте z имеет нормальное распределение N(m;d), и энкодер выдаёт параметры этого распределения - средние m и ст. отклонения d.

При обучении подобной модели у нас возникает градиент ошибки по сэмплу из z. Как пробросить градиент назад в модели "сквозь" это сэмплирование? В лоб сделать это не получится, и для этого применяют простой советский Reparametrization Trick.

Его суть в том, что процесс сэмплирования отделяют от основной цепочки вычислений и оформляют как входную вершину вычислительного графа. В случае с нормальным распределением, мы сначала отдельно сэмплируем eps из N(0;1), а затем умножаем его на d и прибавляем m. По факту результат тот же самый, но он превращает нейросеть в цепочку детерминированных операций и позволяет пробрасывать градиент бэкпропом.

Gumbel-Softmax - то же самое, но для категориального распределения.

Вместо обычного VAE давайте взглянем на VQ-VAE - альтернативный вариант автоэнкодера, в котором вместо сжатия в нормальное распределение происходит сжатие в категориальное распределение на "коды". Внутри модели хранится Codebook, который превращает номер кода обратно в эмбеддинг во время декодинга.

Итак, в сердцевине модели находится такая цепочка вычислений: logits -> probs -> one-hot vector -> embedding. При переходе из probs к one-hot vector как раз и возникает сэмплирование из категориального распределения, сквозь которое нельзя пробросить градиент напрямую.

Gumbel-Softmax позволит приближенно осуществить этот переход с помощью детерминированной операции. Если к логарифму от вектора probs прибавить вектор из распределения Гумбеля (аналог N(0;1) в данном случае), то argmax итогового вектора будет распределён так же, как и исходное распределение.

Последняя проблема - argmax сам недифференцируем, поэтому его заменяют на софтмакс с маленькой температурой. В итоге, получая на вход [0.2;0.8], эта операция будет выдавать [0.001; 0.999] в 80% случаев и [0.999;0.001] в 20 процентах случаев.

Самый большой затык вызывает следующий вопрос - в чём профит этой штуки по сравнению с тем, чтобы просто использовать [0.2;0.8] в дальнейших операциях, если там всё равно не требуется строгий one-hot вектор?

Я объясняю это так - во время обучения мы хотим, чтобы все последующие части модели получали на вход реалистичные сэмплы из категориального распределения. Если наша модель будет учиться на размазанных векторах, то мы не сможем во время инференса просто начать сэмплировать код - декодер не выкупит этот пранк.

А что делать в случае, когда нам реально нужен строгий one-hot вектор, например, если это RL и мы совершаем действие? Авторы оригинальной статьи предлагают комбинировать Straight Through Estimator и Gumbel Softmax, т.е. использовать [1; 0], а градиент пробрасывать так, как будто там был [0.999; 0.001]. Но я никогда не встречал применения такой схемы.

@knowledge_accumulator

BY Knowledge Accumulator




Share with your friend now:
tg-me.com/knowledge_accumulator/265

View MORE
Open in Telegram


Knowledge Accumulator Telegram | DID YOU KNOW?

Date: |

Look for Channels Online

You guessed it – the internet is your friend. A good place to start looking for Telegram channels is Reddit. This is one of the biggest sites on the internet, with millions of communities, including those from Telegram.Then, you can search one of the many dedicated websites for Telegram channel searching. One of them is telegram-group.com. This website has many categories and a really simple user interface. Another great site is telegram channels.me. It has even more channels than the previous one, and an even better user experience.These are just some of the many available websites. You can look them up online if you’re not satisfied with these two. All of these sites list only public channels. If you want to join a private channel, you’ll have to ask one of its members to invite you.

Knowledge Accumulator from cn


Telegram Knowledge Accumulator
FROM USA