深度学习中的Lipschitz约束：泛化与生成模型

去年写过一篇 WGAN-GP 的入门读物 互怼的艺术：从零直达WGAN-GP ，提到通过梯度惩罚来为 WGAN 的判别器增加 Lipschitz 约束（下面简称“L 约束”）。前几天遐想时再次想到了 WGAN，总觉得 WGAN 的梯度惩罚不够优雅，后来也听说 WGAN 在条件生成时很难搞（因为不同类的随机插值就开始乱了），所以就想琢磨一下能不能搞出个新的方案来给判别器增加L约束。 

闭门造车想了几天，然后发现想出来的东西别人都已经做了，果然是只有你想不到，没有别人做不到呀。主要包含在这两篇论文中：Spectral Norm Regularization for Improving the Generalizability of Deep Learning [1] 和 Spectral Normalization for Generative Adversarial Networks [2]。

所以这篇文章就按照自己的理解思路，对L约束相关的内容进行简单的介绍。 注意本文的主题是 L 约束，并不只是 WGAN。它可以用在生成模型中，也可以用在一般的监督学习中。

L约束与泛化

扰动敏感

记输入为 x，输出为 y，模型为 f，模型参数为 w，记为：

很多时候，我们希望得到一个“稳健”的模型。何为稳健？一般来说有两种含义， 一是对于参数扰动的稳定性 ，比如模型变成了 fw+Δw(x) 后是否还能达到相近的效果？如果在动力学系统中，还要考虑模型最终是否能恢复到 fw(x)； 二是对于输入扰动的稳定性 ，比如输入从 x 变成了 x+Δx 后，fw(x+Δx) 是否能给出相近的预测结果。

读者或许已经听说过深度学习模型存在“对抗攻击样本”，比如图片只改变一个像素就给出完全不一样的分类结果，这就是模型对输入过于敏感的案例。

L约束

所以，大多数时候我们都希望模型对输入扰动是不敏感的，这通常能提高模型的泛化性能。也就是说，我们希望 ||x1−x2|| 很小时：

也尽可能地小。当然，“尽可能”究竟是怎样，谁也说不准。于是 Lipschitz 提出了一个更具体的约束，那就是存在某个常数 C（它只与参数有关，与输入无关），使得下式恒成立

也就是说，希望整个模型被一个线性函数“控制”住。 这便是 L 约束了。

换言之，在这里我们认为满足 L 约束的模型才是一个好模型。并且对于具体的模型，我们希望估算出 C(w) 的表达式，并且希望 C(w) 越小越好，越小意味着它对输入扰动越不敏感，泛化性越好。

神经网络

在这里我们对具体的神经网络进行分析，以观察神经网络在什么时候会满足 L 约束。

简单而言，我们考虑单层的全连接 f(Wx+b)，这里的 f 是激活函数，而 W,b 则是参数矩阵/向量，这时候 (3) 变为：

让 x1,x2 充分接近，那么就可以将左边用一阶项近似，得到：

显然，要希望左边不超过右边， ∂f/∂x 这一项（每个元素）的绝对值必须不超过某个常数。这就要求我们要使用“导数有上下界”的激活函数，不过我们目前常用的激活函数，比如sigmoid、tanh、relu等，都满足这个条件。 假定激活函数的梯度已经有界，尤其是我们常用的 relu 激活函数来说这个界还是 1，因此 ∂f/∂x 这一项只带来一个常数，我们暂时忽略它，剩下来我们只需要考虑 ||W(x1−x2)||。

多层的神经网络可以逐步递归分析，从而最终还是单层的神经网络问题，而 CNN、RNN 等结构本质上还是特殊的全连接，所以照样可以用全连接的结果。因此，对于神经网络来说，问题变成了： 如果下式恒成立，那么 C 的值可以是多少？

找出 C 的表达式后，我们就可以希望 C 尽可能小，从而给参数带来一个正则化项。

矩阵范数

定义

其实到这里，我们已经将问题转化为了一个矩阵范数问题（矩阵范数的作用相当于向量的模长），它定义为：

如果 W 是一个方阵，那么该范数又称为“谱范数”、“谱半径”等，在本文中就算它不是方阵我们也叫它“谱范数（Spectral Norm）”好了。注意 ||Wx|| 和 ||x|| 都是指向量的范数，就是普通的向量模长。而左边的矩阵的范数我们本来没有明确定义的，但通过右边的向量模型的极限定义出来的，所以这类矩阵范数称为“由向量范数诱导出来的矩阵范数”。

好了，文绉绉的概念就不多说了，有了向量范数的概念之后，我们就有：

呃，其实也没做啥，就换了个记号而已，||W||2 等于多少我们还是没有搞出来。

Frobenius范数

其实谱范数 ||W||2 的准确概念和计算方法还是要用到比较多的线性代数的概念，我们暂时不研究它，而是先研究一个更加简单的范数： Frobenius 范数，简称 F 范数。

这名字让人看着慌，其实定义特别简单，它就是：

说白了，它就是直接把矩阵当成一个向量，然后求向量的欧氏模长。

简单通过柯西不等式，我们就能证明：

很明显 ||W||F 提供了 ||W||2 的一个上界，也就是说，你可以理解为 ||W||2 是式 (6) 中最准确的 C（所有满足式 (6) 的 C 中最小的那个），但如果你不大关心精准度，你直接可以取 C=||W||F，也能使得 (6) 成立，毕竟 ||W||F 容易计算。

l2正则项

前面已经说过，为了使神经网络尽可能好地满足L约束，我们应当希望 C=||W||2 尽可能小，我们可以把 C2 作为一个正则项加入到损失函数中。当然，我们还没有算出谱范数 ||W||2，但我们算出了一个更大的上界 ||W||F，那就先用着它吧，即 loss 为：

其中第一部分是指模型原来的 loss。我们再来回顾一下 ||W||F 的表达式，我们发现加入的正则项是：

这不就是 l2 正则化吗？

终于，捣鼓了一番，我们得到了一点回报： 我们揭示了 l2 正则化（也称为 weight decay）与 L 约束的联系，表明 l2 正则化能使得模型更好地满足 L 约束，从而降低模型对输入扰动的敏感性，增强模型的泛化性能。

谱范数

主特征根

这部分我们来正式面对谱范数 ||W||2，这是线性代数的内容，比较理论化。

事实上， 谱范数 ||W||2 等于 的最大特征根（主特征根）的平方根 ，如果 W是方阵，那么||W||2 等于 W 的最大的特征根绝对值。

对于感兴趣理论证明的读者，这里提供一下证明的大概思路。根据定义 (7) 我们有：

假设 对角化为diag(λ1,…,λn)，即 ，其中 λi 都是它的特征根，而且非负，而 U 是正交矩阵，由于正交矩阵与单位向量的积还是单位向量，那么：

所以 等于 的最大特征根。

幂迭代

也许有读者开始不耐烦了：鬼愿意知道你是不是等于特征根呀，我关心的是怎么算这个鬼范数！

事实上，前面的内容虽然看起来茫然，但却是求 ‖W‖2 的基础。前一节告诉我们 就是 的最大特征根，所以问题变成了求 的最大特征根，这可以通过 “幂迭代”法  [3]   来解决。

所谓“幂迭代”，就是通过下面的迭代格式：

迭代若干次后，最后通过：

得到范数（也就是得到最大的特征根的近似值）。也可以等价改写为：

这样，初始化 u,v 后（可以用全 1 向量初始化），就可以迭代若干次得到 u,v，然后代入 算得 ‖W‖2 的近似值。

对证明感兴趣的读者，这里照样提供一个简单的证明表明为什么这样的迭代会有效。

记，初始化为 ，同样假设 A 可对角化，并且假设 A 的各个特征根 λ1,…,λn 中，最大的特征根严格大于其余的特征根（不满足这个条件意味着最大的特征根是重根，讨论起来有点复杂，需要请读者查找专业证明，这里仅仅抛砖引玉。

当然，从数值计算的角度，几乎没有两个人是完全相等的，因此可以认为重根的情况在实验中不会出现。），那么 A 的各个特征向量 η1,…,ηn 构成完备的基底，所以我们可以设：

每次的迭代是 Au/‖Au‖，其中分母只改变模长，我们留到最后再执行，只看 A 的重复作用：

注意对于特征向量有 Aη=λη，从而：

不失一般性设 λ1 为最大的特征值，那么：

根据假设 λ2/λ1,…,λn/λ1 都小于 1，所以 r→∞ 时它们都趋于零，或者说当 r 足够大时它们可以忽略，那么就有：

先不管模长，这个结果表明当 r 足够大时， 提供了最大的特征根对应的特征向量的近似方向，其实每一步的归一化只是为了防止溢出而已。这样一来 就是对应的单位特征向量，即：

因此： ，这就求出了谱范数的平方。

谱正则化

前面我们已经表明了 Frobenius 范数与 l2 正则化的关系，而我们已经说明了 Frobenius 范数是一个更强（更粗糙）的条件，更准确的范数应该是谱范数。虽然谱范数没有 Frobenius 范数那么容易计算，但依然可以通过式 (15) 迭代几步来做近似。

所以，我们可以提出 “谱正则化（Spectral Norm Regularization）” 的概念，即把谱范数的平方作为额外的正则项，取代简单的 l2 正则项。即式 (11) 变为：

Spectral Norm Regularization for Improving the Generalizability of Deep Learning [1]一文已经做了多个实验，表明“谱正则化”在多个任务上都能提升模型性能。 

在 Keras 中，可以通过下述代码计算谱范数：

def spectral_norm(w, r=5):
    w_shape = K.int_shape(w)
    in_dim = np.prod(w_shape[:-1]).astype(int)
    out_dim = w_shape[-1]
    w = K.reshape(w, (in_dim, out_dim))
    u = K.ones((1, in_dim))
    for i in range(r):
        v = K.l2_normalize(K.dot(u, w))
        u = K.l2_normalize(K.dot(v, K.transpose(w)))
    return K.sum(K.dot(K.dot(u, w), K.transpose(v)))

生成模型

WGAN

如果说在普通的监督训练模型中，L 约束只是起到了“锦上添花”的作用，那么在 WGAN 的判别器中，L 约束就是必不可少的关键一步了。因为 WGAN 的判别器的优化目标是：

这里的 Pr,Pg 分别是真实分布和生成分布，|f|L=1 指的就是要满足特定的 L 约束 |f(x1)−f(x2)|≤‖x1−x2‖（那个 C=1）。所以上述目标的意思是，在所有满足这个L约束的函数中，挑出使得 最大的那个 f，就是最理想的判别器。写成 loss 的形式就是：

梯度惩罚

目前比较有效的一种方案就是梯度惩罚，即 ‖f′(x)‖=1 是 |f|L=1 的一个充分条件，那么我把这一项加入到判别器的 loss 中作为惩罚项，即：

事实上我觉得加个 relu(x)=max(x,0) 会更好：

其中 采用随机插值的方式：

梯度惩罚不能保证 ‖f′(x)‖=1，但是直觉上它会在 1 附近浮动，所以 |f|L 理论上也在 1 附近浮动，从而近似达到 L 约束。

这种方案在很多情况下都已经 work 得比较好了，但是在真实样本的类别数比较多的时候却比较差（尤其是条件生成）。

问题就出在随机插值上：原则上来说，L 约束要在整个空间满足才行，但是通过线性插值的梯度惩罚只能保证在一小块空间满足。如果这一小块空间刚好差不多就是真实样本和生成样本之间的空间，那勉勉强强也就够用了，但是如果类别数比较多，不同的类别进行插值，往往不知道插到哪里去了，导致该满足 L 条件的地方不满足，因此判别器就失灵了。

思考：梯度惩罚能不能直接用作有监督的模型的正则项呢？有兴趣的读者可以试验一下。

谱归一化

梯度惩罚的问题在于它只是一个惩罚，只能在局部生效。真正妙的方案是构造法：构建特殊的 f，使得不管 f 里边的参数是什么，f 都满足 L 约束。

事实上，WGAN 首次提出时用的是参数裁剪——将所有参数的绝对值裁剪到不超过某个常数，这样一来参数的 Frobenius 范数不会超过某个常数，从而 |f|L 不会超过某个常数，虽然没有准确地实现 |f|L=1，但这只会让 loss 放大常数倍，因此不影响优化结果。参数裁剪就是一种构造法，这不过这种构造法对优化并不友好。

简单来看，这种裁剪的方案优化空间有很大，比如改为将所有参数的 Frobenius 范数裁剪到不超过某个常数，这样模型的灵活性比直接参数裁剪要好。如果觉得裁剪太粗暴，换成参数惩罚也是可以的，即对所有范数超过 Frobenius 范数的参数施加一个大惩罚，我也试验过，基本有效，但是收敛速度比较慢。

然而，上面这些方案都只是某种近似，现在我们已经有了谱范数，那么可以用最精准的方案了： 将 f 中所有的参数都替换为 w/‖w‖2 。这就是谱归一化（Spectral Normalization），在 Spectral Normalization for Generative Adversarial Networks [2] 一文中被提出并实验。

这样一来，如果 f 所用的激活函数的导数绝对值都不超过 1，那么我们就有 |f|L≤1，从而用最精准的方案实现了所需要的 L 约束。

注：“激活函数的导数绝对值都不超过 1”，这个通常都能满足，但是如果判别模型使用了残差结构，则激活函数相当于是 x+relu(Wx+b)，这时候它的导数就不一定不超过 1 了。但不管怎样，它会不超过一个常数，因此不影响优化结果。

我自己尝试过在 WGAN 中使用谱归一化（不加梯度惩罚，参考代码见后面）， 发现最终的收敛速度（达到同样效果所需要的 epoch）比 WGAN-GP 还要快，效果还要更好一些。 而且，还有一个影响速度的原因：就是每个 epoch 的运行时间，梯度惩罚会比用谱归一化要长，因为用了梯度惩罚后，在梯度下降的时候相当于要算二次梯度了，要执行整个前向过程两次，所以速度比较慢。

Keras实现

在 Keras 中，实现谱归一化可以说简单也可以说不简单。

说简单，只需要在判别器的每一层卷积层和全连接层都传入 kernel_constraint 参数，而 BN 层传入 gamma_constraint 参数。constraint 的写法是：

def spectral_normalization(w):
    return w / spectral_norm(w)

参考代码： https://github.com/bojone/gan/blob/master/keras/wgan_sn_celeba.py

说不简单，是因为目前的 Keras（2.2.4 版本）中的 kernel_constraint 并没有真正改变了 kernel，而只是在梯度下降之后对 kernel 的值进行了调整，这跟论文中 spectral_normalization 的方式并不一样。如果只是这样使用的话，就会发现后期的梯度不准，模型的生成质量不佳。

为了实现真正地修改 kernel，我们要不就得重新定义所有的层（卷积、全连接、BN 等所有包含矩阵乘法的层），要不就只能修改源码了，修改源码是最简单的方案，修改文件 keras/engine/base_layer.py 的 Layer 对象的 add_weight 方法，本来是（目前是 222 行开始）：

    def add_weight(self,
                   name,
                   shape,
                   dtype=None,
                   initializer=None,
                   regularizer=None,
                   trainable=True,
                   constraint=None):
        """Adds a weight variable to the layer.
        # Arguments
            name: String, the name for the weight variable.
            shape: The shape tuple of the weight.
            dtype: The dtype of the weight.
            initializer: An Initializer instance (callable).
            regularizer: An optional Regularizer instance.
            trainable: A boolean, whether the weight should
                be trained via backprop or not (assuming
                that the layer itself is also trainable).
            constraint: An optional Constraint instance.
        # Returns
            The created weight variable.
        """
        initializer = initializers.get(initializer)
        if dtype is None:
            dtype = K.floatx()
        weight = K.variable(initializer(shape),
                            dtype=dtype,
                            name=name,
                            constraint=constraint)
        if regularizer is not None:
            with K.name_scope('weight_regularizer'):
                self.add_loss(regularizer(weight))
        if trainable:
            self._trainable_weights.append(weight)
        else:
            self._non_trainable_weights.append(weight)
        return weight

修改为：

    def add_weight(self,
                   name,
                   shape,
                   dtype=None,
                   initializer=None,
                   regularizer=None,
                   trainable=True,
                   constraint=None):
        """Adds a weight variable to the layer.
        # Arguments
            name: String, the name for the weight variable.
            shape: The shape tuple of the weight.
            dtype: The dtype of the weight.
            initializer: An Initializer instance (callable).
            regularizer: An optional Regularizer instance.
            trainable: A boolean, whether the weight should
                be trained via backprop or not (assuming
                that the layer itself is also trainable).
            constraint: An optional Constraint instance.
        # Returns
            The created weight variable.
        """
        initializer = initializers.get(initializer)
        if dtype is None:
            dtype = K.floatx()
        weight = K.variable(initializer(shape),
                            dtype=dtype,
                            name=name,
                            constraint=None)
        if regularizer is not None:
            with K.name_scope('weight_regularizer'):
                self.add_loss(regularizer(weight))
        if trainable:
            self._trainable_weights.append(weight)
        else:
            self._non_trainable_weights.append(weight)
        if constraint is not None:
            return constraint(weight)
        return weight

也就是把 K.variable 的 constraint 改为 None，把 constraint 放到最后执行。 注意，不要看到要改源码就马上来吐槽 Keras 封装太死，不够灵活什么的，你要是用其他框架基本上比 Keras 复杂好多倍（相对不加 spectral_normalization 的 GAN 的改动量）。

总结

本文是关于 Lipschitz 约束的一篇总结，主要介绍了如何使得模型更好地满足 Lipschitz 约束，这关系到模型的泛化能力。而难度比较大的概念是谱范数，涉及较多的理论和公式。

整体来看，关于谱范数的相关内容都是比较精巧的，而相关结论也进一步表明线性代数跟机器学习紧密相关，很多“高深”的线性代数内容都可以在机器学习中找到对应的应用。

参考文献

[1]. Spectral Norm Regularization for Improving the Generalizability of Deep Learning. Yuichi Yoshida, Takeru Miyato. ArXiv 1705.10941.

[2]. Takeru Miyato, Toshiki Kataoka, Masanori Koyama, and Yuichi Yoshida. Spectral normalization for generative adversarial networks. In ICLR, 2018.

[3]. https://en.wikipedia.org/wiki/Power_iteration