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本文研究了深度學習理論中一個基本的開放挑戰: 為什么深度網絡在過度參數化、非正則化和擬合訓練數據為零誤差的情況下仍能很好地泛化? 在論文的第一部分，我們將實證研究如何通過隨機梯度下降訓練深度網絡隱式控制網絡容量。隨后，為了說明這如何導致更好的泛化，我們將推導基于數據的一致收斂的泛化邊界，并改進參數計數的依賴性。由于其簡單性和通用性，一致收斂實際上已經成為深度學習文獻中使用最廣泛的工具。鑒于它的流行，在這篇論文中，我們也將后退一步，確定一致收斂的基本極限，作為解釋泛化的工具。特別地，我們將證明在一些過度參數化的設置的例子中，任何一致收斂界將只提供一個空洞的泛化界。考慮到這一點，在論文的最后一部分，我們將改變航向，并引入一種經驗技術來估計使用未標記數據的泛化。我們的技術不依賴于任何基于一致收斂的復雜性概念，而且非常精確。我們將從理論上說明為什么我們的技術如此精確。最后，我們將討論未來的工作如何探索在泛化邊界中納入分布假設的新方法(例如以未標記數據的形式)，并探索其他工具來推導邊界，可能是通過修改統一收斂或開發完全新的工具。

在一個特定的數據集上訓練一個強大的神經預測器執行一項任務的主流NLP范式取得了在各種應用上的成功(如:情感分類、基于廣度預測的問答或機器翻譯)。然而，它建立在數據分布是平穩的假設之上，即。在訓練和測試時，數據都是從一個固定的分布中取樣的。這種訓練方式與我們人類在不斷變化的信息流中學習和操作的方式不一致。此外，它不適合于真實世界的用例，在這些用例中，數據分布預計會在模型的生命周期中發生變化。

本文的第一個目標是描述這種偏移在自然語言處理環境中可能采取的不同形式，并提出基準和評價指標來衡量它對當前深度學習體系結構的影響。然后，我們繼續采取步驟，以減輕分布轉移對NLP模型的影響。為此，我們開發了基于分布魯棒優化框架的參數化重構方法。從經驗上講，我們證明了這些方法產生了更魯棒的模型，正如在選擇的現實問題上所證明的那樣。在本文的第三部分和最后一部分，我們探索了有效地適應現有模型的新領域或任務的方法。我們對這個主題的貢獻來自于信息幾何學的靈感，獲得了一個新的梯度更新規則，緩解了適應過程中災難性的遺忘問題。

我們從評估開始，因為分布轉移特別難以描述和測量，特別是在自然語言方面。這部分是由于數據缺乏規范的度量結構。換句話說，如何有效地衡量兩個句子之間的語義相似度還不清楚，因此沒有直接的方法來衡量兩個樣本之間的差異，更不用說兩種分布了。因此，作為解決分布偏移的第一步，我們提出了一個新的基準(第3章)和評估指標(第4章)，分別評估域偏移和對抗擾動的魯棒性。有了這些工具在手，我們開始構建魯棒的模型，這些模型經過訓練，即使在沒有關于轉移本質的明確信息的情況下，對分布轉移也不那么敏感。這是通過利用訓練分布中的數據多樣性來實現的，以確保在訓練數據(子群體)中存在的各種領域上的統一性能。具體來說，我們制定了一個分布魯棒優化框架的參數化版本，該框架允許訓練模型對子群體轉移更為穩健(第5章和第6章)。最后，在靜態環境中學習從根本上是次優的:我們不能期望我們的模型在每一個可能的未來環境中都表現良好，我們必須能夠使它們適應我們遇到的任何新情況。因此，我們研究了一種機制，通過這種機制，我們能夠根據新的證據微調訓練模型，而不會忘記之前獲得的知識(第7章)。

//www.zhuanzhi.ai/paper/c5e7a9742d6a6313d63c5976499166dc

摘要

分布外泛化(OOD)對人類來說是一種很自然的能力，但對機器來說是一個挑戰。這是因為大多數學習算法強烈地依賴于源/目標數據的i.i.d.假設，而在實踐中，由于域轉移，這經常違背IID。領域泛化(DG)的目標是僅使用源數據進行模型學習，實現OOD泛化。自2011年首次引入DG以來，DG研究取得了很大進展。特別是，對這一主題的深入研究已經導致了廣泛的方法論，例如，那些基于領域對齊、元學習、數據增強或集成學習的方法，這只是舉幾個例子;并涵蓋了各種視覺應用，如物體識別、分割、動作識別和人的再識別。本文首次對近十年來計算機視覺DG的研究進展進行了綜述。具體來說，我們首先通過正式定義DG，并將其與領域適應和遷移學習等其他研究領域聯系起來，來覆蓋背景。其次，我們對現有的方法進行了全面的回顧，并根據它們的方法和動機進行了分類。最后，我們總結了本次綜述，并對未來的研究方向進行了展望和討論。

//www.zhuanzhi.ai/paper/c8472ef62b32f2b955bd2b239009bfc1

引言

如果一個圖像分類器在照片圖像上訓練，它會在草圖圖像上工作嗎?如果用城市圖像訓練的汽車檢測器在農村環境中測試會怎樣?是否有可能部署在雨天或雪天條件下使用晴天圖像訓練的語義分割模型?使用一名患者的心電圖數據訓練的健康狀態分類器能否用于診斷另一名患者的健康狀態?所有這些問題的答案取決于機器學習模型如何處理一個常見問題，即域轉移問題。該問題是指一組訓練(源)數據與一組測試(目標)數據[1]，[2]，[3]，[4]之間的分布偏移。

大多數統計學習算法強烈依賴于過于簡化的假設，即源數據和目標數據是獨立的、同分布的(i.i.d)，而忽略了實踐中常見的分布外(OOD)場景。這意味著它們在設計時并沒有考慮到域遷移問題。因此，只使用源數據訓練的學習代理在OOD目標域中通常會遭受顯著的性能下降。領域轉移問題嚴重阻礙了機器學習模型的大規模部署。人們可能會好奇，最近在深度神經網絡[5]，[6]，即所謂的深度學習[7]方面的進展是否能夠緩解這個問題。[2]和[8]的研究表明，即使在數據生成過程中只有很小的變化，深度學習模型在OOD數據集上的性能也會顯著下降。這突出表明，到目前為止，深度學習取得的成功很大程度上是由監督學習驅動的，這些監督學習使用的是像ImageNet[9]這樣的大規模注釋數據集，同樣也依賴于i.i.d.假設。

關于如何處理域轉移的問題在文獻中已經進行了廣泛的研究。繞過OOD數據問題的一個簡單解決方案是從目標領域收集一些數據，以適應源領域訓練的模型。事實上，這一域適應(DA)問題最近受到了廣泛關注，包括[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，DA依賴于一個強大的假設，即目標數據可以用于模型調整，但在實踐中并不總是成立。在許多應用中，很難獲得目標數據，甚至在部署模型之前無法知道目標數據。例如，在生物醫學應用中，不同患者的數據之間發生域轉移，提前收集每個新患者的數據是不切實際的;在交通場景語義分割中，采集所有不同場景和所有可能天氣條件下的數據是不可行的。

為了克服域漂移問題以及目標數據缺乏的問題，引入了域泛化問題[19]。具體來說，DG的目標是使用來自單個或多個相關但不同的源域的數據來學習模型，以使模型能夠很好地泛化到任何OOD目標域。近年來，DG因其在實際應用中的重要性而日益受到學術界的重視。

自2011年Blanchard等人[19]首次引入以來，已經開發了許多方法來解決OOD泛化問題。這包括基于對源域分布的方法，用于域不變表示學習[27]，[28]，在訓練期間通過元學習[29]，[30]，或使用圖像合成[31]，[32]來增強數據，僅舉幾個例子。從應用的角度來看，現有的DG方法已經應用于手寫體數字識別[31]、[32]、物體識別[33]、[34]、語義分割[18]、[35]、人再識別[20]、[31]、人臉識別[36]、動作識別[27]、[37]等等。盡管作出了這些努力，但普遍承認DG仍然是一個公開的挑戰。事實上，在無法訪問目標領域數據的情況下，訓練一個可以在任何不可見的目標領域有效工作的一般化模型，可以說是機器學習中最困難的問題之一。

在這篇綜述論文中，我們旨在提供一個及時和全面的文獻綜述。綜述了近十年來所介紹的主要方法和應用，重點介紹了計算機視覺領域。并對未來的發展方向進行了討論。本文的其余部分組織如下。在§2中，我們介紹了背景知識，給出了問題的定義，并將DG與領域適應和遷移學習等幾個相關研究領域進行了比較。討論了對DG算法進行基準測試的常用數據集。在§3中，我們回顧了過去十年提出的現有DG方法，并提出了一個分類。在§4中，我們總結了這篇論文，并對未來工作的潛在研究方向進行了見解和討論。作為這一主題的第一份綜述論文，我們希望這一及時的綜述能夠為研究界提供清晰的思路和進一步發展的動力。

我們為什么在這里?我們大多數人來到這里的原因很簡單:我們想解決人工智能問題。那么，人工智能和這本書的書名有什么關系呢?人工智能的現代定義之一是對理性代理的研究和設計[RN09]。從這個意義上說，我們將一個系統描述為智能的，當它最大化某些預期的性能概念時。機器學習的子領域處理的是問題和算法的子集，其中代理可以獲得經驗(通常以某種形式的數據)，可以利用這些經驗來改進性能的概念[MRT12]。大多數情況下，性能是由代理人在新的和看不見的情況下如何行動來衡量的，這些情況不構成其訓練經驗的一部分。例如，可以訓練一名代理人將英文翻譯成法文，其訓練經驗包括大量翻譯的聯合國文件。然而，在評估時，它可能會在與它所見過的文件不同的聯合國新文件上進行測試。很自然地，代理在它所看到的訓練經驗和它所評估的新情況下的表現之間存在著差距。代理泛化的能力是通過性能上的差距有多小來衡量的。

希望前面的段落已經解釋了在機器學習的背景下，以及在更大的AI背景下，什么是泛化。那么，標題中還保留著哪些“分布外”詞呢?如前所述，泛化是指減少一個agent在已知訓練情境下的表現與同一agent在未知測試情境下的表現之間的差距。然而，有許多不同類型的未知。統計學習通常處理的一類泛化是分布的:當從訓練示例生成的數據與測試示例生成的數據無法區分時。根據定義，非分布內的泛化問題稱為分布外泛化問題，這是本書的主題。

這項工作的目標很簡單。我們想要回顧，分布外泛化的知識。因此，這項工作的很大一部分將致力于理解(有時是微妙的)不同方法和假設之間的差異和相似性，通常以一種孤立的方式呈現。重點將放在與人工智能或現代大規模機器學習應用等想法上。此外，我們將特別注意研究不同方法的缺點，以及下一步可能是重要的。

• 在第二章中，我們首先討論如何量化分布外泛化。通過幾個例子，我們研究了分布外泛化與處理不同分布外任務的幾種常用方法之間的關系。本文將特別強調這些方法背后的假設，并說明這些方法何時有效，何時無效。

• 在第三章中，我們將關注一個特定的分布外任務類。在這些預測任務中，就像在許多實際問題中一樣，在分布之外泛化的困難在于找出數據中的哪些相關性是假的和不可靠的，以及哪些相關性代表感興趣的現象。

• 在第四章中，我們討論了不同應用領域在實踐中出現的分布外任務的類型，以及這些領域在過去是如何處理這些問題的。

• 在第五章中，我們為分布外泛化和人工智能背景下的新研究領域奠定了基礎。在本章中，我們將關注在探索或強化學習環境中與世界交互的agent，以及它們如何從分布外泛化中獲益。

Ronghang Hu (胡戎航)

胡戎航(Ronghang Hu)是Facebook人工智能研究(FAIR)的研究科學家。他的研究興趣包括視覺和語言推理和視覺感知。他于2020年在Trevor Darrell教授和Kate Saenko教授的指導下獲得UC Berkeley的計算機科學博士學位。2019年夏天和2017年夏天，他在FAIR做研究實習生，分別與Marcus Rohrbach博士和Ross Girshick博士一起工作。2015年獲得清華大學學士學位。2014年，他在中國科學院計算技術研究所進行研究實習，得到了山時光教授和王瑞平教授的指導。

//ronghanghu.com/

視覺與語言推理的結構化模型

視覺和語言任務(例如回答一個關于圖像的問題，為參考表達做基礎，或遵循自然語言指令在視覺環境中導航)需要對圖像和文本的兩種模式共同建模和推理。我們已經見證了視覺和語言推理的顯著進展，通常是通過在更大的數據集和更多計算資源的幫助下訓練的神經方法。然而，解決這些視覺和語言的任務就像用更多的參數建立模型，并在更多的數據上訓練它們一樣簡單嗎?如果不能，我們怎樣才能建立數據效率高、易于推廣的更好的推理模型呢?

這篇論文用視覺和語言推理的結構化模型為上述問題提供了答案——這些模型的架構考慮了人類語言、視覺場景和代理技能中的模式和規律。我們從表達式的基礎開始，我們在第二章中展示了通過考慮這些表達式中的組合結構，我們提出的組合模塊網絡(CMNs)可以實現更好的準確性和泛化。在第三章中，我們使用基于與問題推理步驟一致的動態組合模塊的端到端模塊網絡(N2NMNs)進一步解決了可視化的問題回答任務。在第四章中，我們擴展了模塊化推理的研究，提出了基于可解釋推理步驟的堆棧神經模塊網絡(SNMNs)。模塊化推理之外,我們也提出構建環境敏感的視覺表征與Language-Conditioned場景圖網絡(LCGNs)。第五章對于關系推理和解決問題的閱讀文本圖像的問答迭代pointer-augmented多通道變形金剛。在第六章，我們說明了嵌入任務也需要結構化模型，并在第7章中提出了說話者-跟隨者模型，其中說話者模型和跟隨者模型互為補充。在所有這些場景中，我們表明，通過考慮任務中的結構和輸入模式，我們的模型的執行和泛化明顯優于非結構化對應模型。

【導讀】牛津大學的博士生Oana-Maria Camburu撰寫了畢業論文《解釋神經網絡 （Explaining Deep Neural Networks）》，系統性介紹了深度神經網絡可解釋性方面的工作，值得關注。

作者介紹：

Oana-Maria Camburu，來自羅馬尼亞，目前是牛津大學的博士生，主修機器學習、人工智能等方向。

Explaining Deep Neural Networks

深度神經網絡在計算機視覺、自然語言處理和語音識別等不同領域取得了革命性的成功，因此越來越受歡迎。然而，這些模型的決策過程通常是無法向用戶解釋的。在各種領域，如醫療保健、金融或法律，了解人工智能系統所做決策背后的原因至關重要。因此，最近研究了幾個解釋神經模型的方向。

在這篇論文中，我研究了解釋深層神經網絡的兩個主要方向。第一個方向由基于特征的事后解釋方法組成，也就是說，這些方法旨在解釋一個已經訓練過的固定模型(事后解釋)，并提供輸入特征方面的解釋，例如文本標記和圖像的超級像素(基于特征的)。第二個方向由生成自然語言解釋的自解釋神經模型組成，也就是說，模型有一個內置模塊，為模型的預測生成解釋。在這些方面的貢獻如下：

• 首先，我揭示了僅使用輸入特征來解釋即使是微不足道的模型也存在一定的困難。我表明，盡管有明顯的隱含假設，即解釋方法應該尋找一種特定的基于真實值特征的解釋，但對于預測通常有不止一種這樣的解釋。我還展示了兩類流行的解釋方法，它們針對的是不同類型的事實基礎解釋，但沒有明確地提及它。此外，我還指出，有時這兩種解釋都不足以提供一個實例上決策過程的完整視圖。

• 其次，我還介紹了一個框架，用于自動驗證基于特征的事后解釋方法對模型的決策過程的準確性。這個框架依賴于一種特定類型的模型的使用，這種模型有望提供對其決策過程的洞察。我分析了這種方法的潛在局限性，并介紹了減輕這些局限性的方法。引入的驗證框架是通用的，可以在不同的任務和域上實例化，以提供現成的完整性測試，這些測試可用于測試基于特性的后特殊解釋方法。我在一個情緒分析任務上實例化了這個框架，并提供了完備性測試s1，在此基礎上我展示了三種流行的解釋方法的性能。

• 第三，為了探索為預測生成自然語言解釋的自解釋神經模型的發展方向，我在有影響力的斯坦福自然語言推斷(SNLI)數據集之上收集了一個巨大的數據集，數據集約為570K人類編寫的自然語言解釋。我把這個解釋擴充數據集稱為e-SNLI。我做了一系列的實驗來研究神經模型在測試時產生正確的自然語言解釋的能力，以及在訓練時提供自然語言解釋的好處。

• 第四，我指出，目前那些為自己的預測生成自然語言解釋的自解釋模型，可能會產生不一致的解釋，比如“圖像中有一只狗。”以及“同一幅圖片中沒有狗”。不一致的解釋要么表明解釋沒有忠實地描述模型的決策過程，要么表明模型學習了一個有缺陷的決策過程。我將介紹一個簡單而有效的對抗性框架，用于在生成不一致的自然語言解釋時檢查模型的完整性。此外，作為框架的一部分，我解決了使用精確目標序列的對抗性攻擊的問題，這是一個以前在序列到序列攻擊中沒有解決的場景，它對于自然語言處理中的其他任務很有用。我將這個框架應用到e-SNLI上的一個最新的神經模型上，并表明這個模型會產生大量的不一致性。

這項工作為獲得更穩健的神經模型以及對預測的可靠解釋鋪平了道路。

地址： //arxiv.org/abs/2010.01496

與經典的監督學習不同，強化學習(RL)從根本上是交互式的: 一個自主的智能體必須學習如何在一個未知的、不確定的、可能是對抗的環境中表現，通過與環境的積極互動來收集有用的反饋，以提高其序列決策能力。RL代理還將干預環境: 代理做出決策，進而影響環境的進一步演化。

由于它的普遍性——大多數機器學習問題可以看作是特殊情況——RL很難。由于沒有直接的監督，RL的一個主要挑戰是如何探索未知的環境并有效地收集有用的反饋。在最近的RL成功案例中(如視頻游戲中的超人表現[Mnih et al.， 2015])，我們注意到它們大多依賴于隨機探索策略，如“貪婪”。同樣的，策略梯度法如REINFORCE [Williams, 1992]，通過向動作空間注入隨機性進行探索，希望隨機性能導致良好的動作序列，從而獲得高總回報。理論RL文獻已經開發出了更復雜的算法來進行有效的探索(例如，[Azar等人，2017])，然而，這些接近最優算法的樣本復雜度必須根據底層系統的關鍵參數(如狀態和動作空間的維數)呈指數級增長。這種指數依賴性阻礙了這些理論上優雅的RL算法在大規模應用中的直接應用。總之，如果沒有進一步的假設，無論在實踐上還是在理論上，RL都是困難的。

在本文中，我們試圖通過引入額外的假設和信息源來獲得對RL問題的支持。本文的第一個貢獻是通過模仿學習來提高RL樣本的復雜度。通過利用專家的示范，模仿學習極大地簡化了探索的任務。在本論文中，我們考慮了兩種設置:一種是交互式模仿學習設置，即在訓練期間專家可以進行查詢;另一種是僅通過觀察進行模仿學習的設置，在這種設置中，我們只有一組由對專家狀態的觀察組成的演示(沒有記錄專家行為)。我們在理論和實踐中研究如何模仿專家，以減少樣本的復雜性相比，純RL方法。第二個貢獻來自于無模型的強化學習。具體來說，我們通過構建一個從策略評估到無后悔在線學習的總體約簡來研究策略評估，無后悔在線學習是一個活躍的研究領域，具有良好的理論基礎。這樣的約減創造了一個新的算法族，可以在生成過程的非常弱的假設下證明正確的策略評估。在此基礎上，對行動空間和參數空間兩種無模型勘探策略進行了理論和實證研究。這項工作的第三個貢獻來自基于模型的強化學習。我們提供了基于模型的RL方法和一般無模型的RL方法之間的第一個指數樣本復度分離。然后，我們提供了基于PAC模型的RL算法，可以同時實現對許多有趣的MDPs的采樣效率，如表列MDPs、因子MDPs、Lipschitz連續MDPs、低秩MDPs和線性二次控制。通過將最優控制、模型學習和模仿學習結合在一起，我們還提供了一個更實用的基于模型的RL框架，稱為雙重策略迭代(DPI)。此外，我們給出了一個通用的收斂分析，將現有的近似策略迭代理論推廣到DPI。DPI對最近成功的實用RL算法如ExIt和AlphaGo Zero進行了概括和提供了第一個理論基礎[Anthony et al.， 2017, Silver et al.， 2017]，并為統一基于模型的RL方法和無模型的RL方法提供了一種理論健全和實踐高效的方法。

//www.ri.cmu.edu/publications/towards-generalization-and-efficiency-in-reinforcement-learning/

本篇推薦來自CMU-LTI的小姐姐Zhuyun Dai博士論文《Neural Matching and Importance Learning in Information Retrieval》，是信息檢索領域值得關注的最新工作。

作者介紹：

Zhuyun Dai

卡內基梅隆大學語言技術學院(LTI)的博士生。研究方向是提升當今信息檢索系統的語言理解能力，構建下一代信息助理系統，幫助人們無縫地獲取世界上的知識。

//www.cs.cmu.edu/~zhuyund/index.html

信息檢索中的神經匹配與重要性學習

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在50-60年的時間里，信息檢索(IR)系統依賴于詞匯袋方法。盡管詞包檢索有一些長期存在的限制，但解決這些問題的嘗試大多是不成功的。最近，神經網絡為自然語言建模提供了一種新的范式。這篇論文的目的是結合IR的觀點和神經網絡的關鍵優勢，以帶來更深入的語言理解IR。

本論文的第一部分主要研究如何匹配查詢和文檔。 最先進的排序器以前依賴于精確的詞匯匹配，這導致了眾所周知的詞匯不匹配問題。本文開發了將軟匹配引入相關性排序的神經模型。利用分布式文本表示，我們的模型可以對每個查詢詞和每個文檔詞進行軟匹配。由于軟匹配信號有噪聲，本文提出了一種新的核池技術，該技術根據軟匹配對相關性的貢獻對軟匹配進行分組。本文還研究了預訓練好的模型參數是否可以改善低資源域，以及模型架構在非文本檢索任務中是否可重用。我們的方法比以前最先進的排名系統有很大的優勢。

本論文的第二部分主要研究如何表示查詢和文檔。一個典型的搜索引擎使用頻率統計來確定單詞的權重，但是頻繁的單詞對文本的意義不一定是必要的。本論文開發的神經網絡，以估計詞的重要性，基于如何相互作用的語言語境。開發了一種弱監督方法，允許在沒有任何人工注釋的情況下訓練我們的模型。我們的模型可以離線運行，在不影響效率的前提下顯著提高了第一階段的檢索。

總之，本文提出了一種新的神經檢索范式，克服了傳統檢索模型在匹配和重要性加權方面的局限性。在神經相關性排序、深度檢索模型和深度文檔理解等方面提出了一些有前景的方法。