NLP中的對(duì)抗訓(xùn)練到底是什么

簡(jiǎn)介

對(duì)抗訓(xùn)練是一種引入噪聲的訓(xùn)練方式，可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行正則化，提升模型魯棒性和泛化能力。

對(duì)抗訓(xùn)練的假設(shè)是：給輸入加上擾動(dòng)之后，輸出分布和原Y的分布一致

有監(jiān)督的數(shù)據(jù)下使用交叉熵作為損失：

半監(jiān)督數(shù)據(jù)下可計(jì)算KL散度：

擾動(dòng)如何得來(lái)呢？這需要對(duì)抗的思想，即往增大損失的方向增加擾動(dòng)

有監(jiān)督下：

半監(jiān)督下：

theta上面一個(gè)尖兒代表的是常數(shù)。目的是說(shuō)在計(jì)算對(duì)抗擾動(dòng)時(shí)雖然計(jì)算了梯度，但不對(duì)參數(shù)進(jìn)行更新，因?yàn)楫?dāng)前得到的對(duì)抗擾動(dòng)是對(duì)舊參數(shù)最優(yōu)的。不理解的同學(xué)可以自己看下偽代碼體會(huì)一下。

用一句話(huà)形容對(duì)抗訓(xùn)練的思路，就是在輸入上進(jìn)行梯度上升(增大loss)，在參數(shù)上進(jìn)行梯度下降(減小loss)。由于輸入會(huì)進(jìn)行embedding lookup，所以實(shí)際的做法是在embedding table上進(jìn)行梯度上升。

接下來(lái)介紹不同的方法，后續(xù)方法優(yōu)化的主要方向有兩點(diǎn)：得到更優(yōu)的擾動(dòng) & 提升訓(xùn)練速度

FGSM (Fast Gradient Sign Method): ICLR2015

FGSM是Goodfellow提出對(duì)抗訓(xùn)練時(shí)的方法，假設(shè)對(duì)于輸入的梯度為：

那擾動(dòng)肯定是沿著梯度的方向往損失函數(shù)的極大值走：

FGM (Fast Gradient Method): ICLR2017

FSGM是每個(gè)方向上都走相同的一步，Goodfellow后續(xù)提出的FGM則是根據(jù)具體的梯度進(jìn)行scale，得到更好的對(duì)抗樣本：

偽代碼：

對(duì)于每個(gè)x: 1.計(jì)算x的前向loss、反向傳播得到梯度 2.根據(jù)embedding矩陣的梯度計(jì)算出r，并加到當(dāng)前embedding上，相當(dāng)于x+r 3.計(jì)算x+r的前向loss，反向傳播得到對(duì)抗的梯度，累加到(1)的梯度上 4.將embedding恢復(fù)為(1)時(shí)的值 5.根據(jù)(3)的梯度對(duì)參數(shù)進(jìn)行更新

PGD (Projected Gradient Descent): ICLR2018

FGM直接通過(guò)epsilon參數(shù)一下子算出了對(duì)抗擾動(dòng)，這樣得到的可能不是最優(yōu)的。因此PGD進(jìn)行了改進(jìn)，多迭代幾次，慢慢找到最優(yōu)的擾動(dòng)。

引用[1]：

FGM簡(jiǎn)單粗暴的“一步到位”，可能走不到約束內(nèi)的最優(yōu)點(diǎn)。PGD則是“小步走，多走幾步”，如果走出了擾動(dòng)半徑為epsilon的空間，就映射回“球面”上，以保證擾動(dòng)不要過(guò)大

且

偽代碼：

對(duì)于每個(gè)x: 1.計(jì)算x的前向loss、反向傳播得到梯度并備份 對(duì)于每步t: 2.根據(jù)embedding矩陣的梯度計(jì)算出r，并加到當(dāng)前embedding上，相當(dāng)于x+r(超出范圍則投影回epsilon內(nèi)) 3.t不是最后一步:將梯度歸0，根據(jù)1的x+r計(jì)算前后向并得到梯度 4.t是最后一步:恢復(fù)(1)的梯度，計(jì)算最后的x+r并將梯度累加到(1)上 5.將embedding恢復(fù)為(1)時(shí)的值 6.根據(jù)(4)的梯度對(duì)參數(shù)進(jìn)行更新

可以看到，在循環(huán)中r是逐漸累加的，要注意的是最后更新參數(shù)只使用最后一個(gè)x+r算出來(lái)的梯度。

FreeAT (Free Adversarial Training): NIPS2019

從FGSM到PGD，主要是優(yōu)化對(duì)抗擾動(dòng)的計(jì)算，雖然取得了更好的效果，但計(jì)算量也一步步增加。對(duì)于每個(gè)樣本，F(xiàn)GSM和FGM都只用計(jì)算兩次，一次是計(jì)算x的前后向，一次是計(jì)算x+r的前后向。而PGD則計(jì)算了K+1次，消耗了更多的計(jì)算資源。因此FreeAT被提了出來(lái)，在PGD的基礎(chǔ)上進(jìn)行訓(xùn)練速度的優(yōu)化。

FreeAT的思想是在對(duì)每個(gè)樣本x連續(xù)重復(fù)m次訓(xùn)練，計(jì)算r時(shí)復(fù)用上一步的梯度，為了保證速度，整體epoch會(huì)除以m。r的更新公式為：

偽代碼：

初始化r=0對(duì)于epoch=1...N/m: 對(duì)于每個(gè)x: 對(duì)于每步m: 1.利用上一步的r，計(jì)算x+r的前后向，得到梯度 2.根據(jù)梯度更新參數(shù) 3.根據(jù)梯度更新r

缺點(diǎn)：FreeLB指出，F(xiàn)reeAT的問(wèn)題在于每次的r對(duì)于當(dāng)前的參數(shù)都是次優(yōu)的（無(wú)法最大化loss），因?yàn)楫?dāng)前r是由r(t-1)和theta(t-1)計(jì)算出來(lái)的，是對(duì)于theta(t-1)的最優(yōu)。

注：

1.論文中提供偽代碼，但源碼中好像對(duì)1步輸入做了歸一化論文中并沒(méi)有提到

2.個(gè)人認(rèn)為可以把FreeAT當(dāng)成執(zhí)行m次的FGSM，最開(kāi)始r=0，第一次更新的是x的梯度，之后開(kāi)始迭代更新r，則根據(jù)x+r的梯度更新參數(shù)。但代碼中有個(gè)問(wèn)題是r只在最開(kāi)始初始化，如果迭代到新的樣本x2，也是根據(jù)上個(gè)樣本的r進(jìn)行更新的，這里我有些疑問(wèn)，希望懂的大佬賜教下～

代碼：https://github.com/mahyarnajibi/FreeAdversarialTraining/blob/d70774030871fa3207e09ce8528c1b84cd690603/main_free.py#L160

YOPO (You Only Propagate Once): NIPS2019

代碼：https://github.com/a1600012888/YOPO-You-Only-Propagate-Once

YOPO的目標(biāo)也是提升PGD的效率，這篇文章需要的理論知識(shí)比較雄厚，這里只簡(jiǎn)要介紹一下。

感興趣又啃不下來(lái)原論文的同學(xué)（比如我）可以參考[9]，如有解讀錯(cuò)誤歡迎指出～

極大值原理PMP(Pontryagin's maximum principle)是optimizer的一種，它將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)看作動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時(shí)，層之間是解藕的。通過(guò)這個(gè)思想，我們可以想到，既然擾動(dòng)是加在embedding層的，為什么每次還要計(jì)算完整的前后向傳播呢？

基于這個(gè)想法，作者想復(fù)用后幾層的梯度，假設(shè)p為定值：

則對(duì)r的更新就可以變?yōu)?/p>

我們可以先寫(xiě)出YOPO的梯度下降版本：

對(duì)于每個(gè)樣本x初始化r(1,0)對(duì)于j=1,2,...,m: 1.根據(jù)r(j,0),計(jì)算p 對(duì)于s=0,1,...,n-1: 2.計(jì)算r(j,s+1) 3.另r(j+1,0)=r(j,n)

作者又提出了PMP版本的YOPO，并證明SGD的YOPO是PMP版的一種特殊形式。這樣每次迭代r就只用到embedding的梯度就可以了。

引用[9]:

雖然YOPO-m-n只完成了m次完整的正反向傳播，但是卻實(shí)現(xiàn)了m*n次梯度下降。而PGD-r算法完成r次完整的正反向傳播卻只能實(shí)現(xiàn)r次梯度下降。這樣看來(lái)，YOPO-m-n算法的效率明顯更高，而實(shí)驗(yàn)也表明，只要使得m*n略大于r，YOPO-m-n的效果就能夠與PGD-r相媲美。

然而故事的反轉(zhuǎn)來(lái)的太快，F(xiàn)reeLB指出YOPO使用的假設(shè)對(duì)于ReLU-based網(wǎng)絡(luò)不成立：

Interestingly, the analysis backing the extra update steps assumes a twice continuously differentiable loss, which does not hold for ReLU-based neural networks they experimented with, and thus the reasons for the success of such an algorithm remains obscure.

別問(wèn)了，問(wèn)就是PMP，來(lái)跟我一起進(jìn)入下一部份的學(xué)習(xí)。

FreeLB (Free Large-Batch): ICLR2020

FreeLB認(rèn)為，F(xiàn)reeAT和YOPO對(duì)于獲得最優(yōu)r (inner max)的計(jì)算都存在問(wèn)題，因此提出了一種類(lèi)似PGD的方法。只不過(guò)PGD只使用了最后一步x+r輸出的梯度，而FreeLB取了每次迭代r輸出梯度的平均值，相當(dāng)于把輸入看作一個(gè)K倍大的虛擬batch，由[X+r1, X+r2, ..., X+rk]拼接而成。具體的公式為：

為了方便對(duì)比，再貼下論文中PGD的公式：

FreeLB和PGD主要有兩點(diǎn)區(qū)別：

1.PGD是迭代K次r后取最后一次擾動(dòng)的梯度更新參數(shù)，F(xiàn)reeLB是取K次迭代中的平均梯度

2.PGD的擾動(dòng)范圍都在epsilon內(nèi)，因?yàn)閭未a第3步將梯度歸0了，每次投影都會(huì)回到以第1步x為圓心，半徑是epsilon的圓內(nèi)，而FreeLB每次的x都會(huì)迭代，所以r的范圍更加靈活，更可能接近局部最優(yōu)：

FreeLB的偽代碼為：

對(duì)于每個(gè)x: 1.通過(guò)均勻分布初始化r，梯度g為0 對(duì)于每步t=1...K: 2.根據(jù)x+r計(jì)算前后向，累計(jì)梯度g 3.更新r 4.根據(jù)g/K更新梯度

論文中還指出了很重要的一點(diǎn)，就是對(duì)抗訓(xùn)練和dropout不能同時(shí)使用，加上dropout相當(dāng)于改變了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，會(huì)影響r的計(jì)算。如果要用的話(huà)需要在K步中都使用同一個(gè)mask。

SMART (SMoothness-inducing Adversarial Regularization)

SMART論文中提出了兩個(gè)方法：

1.對(duì)抗正則 SMoothness-inducing Adversarial Regularization，提升模型魯棒性

2.優(yōu)化算法 Bregman proximal point optimization，避免災(zāi)難性遺忘

本文只介紹其中的對(duì)抗正則方法。

SMART提出了兩種對(duì)抗正則損失，加到損失函數(shù)中：

第一種參考了半監(jiān)督對(duì)抗訓(xùn)練，對(duì)抗的目標(biāo)是最大化擾動(dòng)前后的輸出，在分類(lèi)任務(wù)時(shí)loss采用對(duì)稱(chēng)的KL散度，回歸任務(wù)時(shí)使用平方損失損失：

第二種方法來(lái)自DeepMind的NIPS2019[8]，核心思想是讓模型學(xué)習(xí)到的流行更光滑，即讓loss在訓(xùn)練數(shù)據(jù)呈線(xiàn)性變化，增強(qiáng)對(duì)擾動(dòng)的抵抗能力。作者認(rèn)為，如果loss流行足夠平滑，那l(x+r)可以用一階泰勒展開(kāi)進(jìn)行近似，因此用來(lái)對(duì)抗的擾動(dòng)需要最大化l(x+r)和一階泰勒展開(kāi)的距離：

SMART的算法和PGD相似，也是迭代K步找到最優(yōu)r，然后更新梯度。

總結(jié)

把最近的一些對(duì)抗訓(xùn)練方法總結(jié)出來(lái)，可以看到趨勢(shì)從“優(yōu)化PGD的速度”又回到了“找尋最優(yōu)擾動(dòng)”，個(gè)人也比較認(rèn)同，訓(xùn)練速度慢一些對(duì)于普通模型還是可以接受的，主要還是看最終的效果有沒(méi)有提升。之前自己試過(guò)FGM和PGD，F(xiàn)GM有輕微提升，但PGD沒(méi)有，應(yīng)該需要在超參數(shù)上進(jìn)行調(diào)整。FreeLB和SMART在GLUE榜單上都有出現(xiàn)過(guò)，相信之后對(duì)抗訓(xùn)練也是標(biāo)配了，坐等微軟放出源碼。

參考文獻(xiàn)：

[1]. 知乎：【煉丹技巧】功守道：NLP中的對(duì)抗訓(xùn)練 + PyTorch實(shí)現(xiàn)

[2]. FGSM: Explaining and Harnessing Adversarial Examples

[3]. FGM: Adversarial Training Methods for Semi-Supervised Text Classification

[4]. FreeAT: Adversarial Training for Free!

[5]. YOPO: You Only Propagate Once: Accelerating Adversarial Training via Maximal Principle

[6]. FreeLB: Enhanced Adversarial Training for Language Understanding

[7]. SMART: Robust and Efficient Fine-Tuning for Pre-trained Natural

[8]. Adversarial Robustness through Local Linearization

[9]. 知乎：加速對(duì)抗訓(xùn)練——YOPO算法淺析

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：一文搞懂NLP中的對(duì)抗訓(xùn)練

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