酷应用

手把手 | OpenAI开发可拓展元学习算法Reptile，能快速学习（附代码）

百家作者：大数据文摘 2018-04-11 07:13:28

大数据文摘作品

编译：Zoe Zuo、丁慧、Aileen

本文来自OpenAI博客，介绍一种新的元学习算法Retile。

在OpenAI, 我们开发了一种简易的元学习算法，称为Reptile。它通过对任务进行重复采样，利用随机梯度下降法，并将初始参数更新为在该任务上学习的最终参数。

其性能可以和MAML（model-agnostic meta-learning，由伯克利AI研究所研发的一种应用广泛的元学习算法）相媲美，操作简便且计算效率更高。

MAML元学习算法：

http://bair.berkeley.edu/blog/2017/07/18/learning-to-learn/

元学习是学习如何学习的过程。此算法接受大量各种的任务进行训练，每项任务都是一个学习问题，然后产生一个快速的学习器，并且能够通过少量的样本进行泛化。

一个深入研究的元学习问题是小样本分类（few-shot classification），其中每项任务都是一个分类问题，学习器在每个类别下只能看到1到5个输入-输出样本（input-output examples），然后就要给新输入的样本进行分类。

下面是应用了Reptile算法的单样本分类（1-shot classification）的互动演示，大家可以尝试一下。

尝试单击“Edit All”按钮，绘制三个不同的形状或符号，然后在右侧的输入区中绘制其中一个，并查看Reptile如何对它进行分类。前三张图是标记样本，每图定义一个类别。最后一张图代表未知样本，Reptile要输出此图属于每个类别的概率。

Reptile的工作原理

像MAML一样，Reptile试图初始化神经网络的参数，以便通过新任务产生的少量数据来对网络进行微调。

但是，当MAML借助梯度下降算法的计算图来展开和区分时，Reptile只是以标准方法在每个任务中执行随机梯度下降（stochastic gradient descent, SGD）算法，并不展开计算图或者计算二阶导数。这使得Reptile比MAML需要更少的计算和内存。示例代码如下：

初始化Φ，初始参数向量
对于迭代1,2,3……执行
随机抽样任务T
在任务T上执行k>1步的SGD,输入参数Φ,输出参数w
更新：Φ←Φ+ϵ(w−Φ)
结束
返回Φ

最后一步中,我们可以将Φ−W作为梯度，并将其插入像这篇论文里（https://arxiv.org/abs/1412.6980）Adam这样更为先进的优化器中作为替代方案。

首先令人惊讶的是，这种方法完全有效。如果k=1，这个算法就相当于 “联合训练”（joint training）——对多项任务的混合体执行SGD。虽然在某些情况下，联合训练可以学习到有用的初始化，但当零样本学习（zero-shot learning）不可能实现时（比如，当输出标签是随机排列时），联合训练就几乎无法学习得到结果。

Reptile要求k>1，也就是说，参数更新要依赖于损失函数的高阶导数实现，此时算法的表现和k=1（联合训练）时是完全不同的。

为了分析Reptile的工作原理，我们使用泰勒级数（Taylor series）来逼近参数更新。Reptile的更新将同一任务中不同小批量的梯度内积（inner product）最大化，从而提高了的泛化能力。

这一发现可能超出了元学习领域的指导意义，比如可以用来解释SGD的泛化性质。进一步分析表明，Reptile和MAML的更新过程很相近，都包括两个不同权重的项。

泰勒级数：

https://en.wikipedia.org/wiki/Taylor_series

在我们的实验中，展示了Reptile和MAML在Omniglot和Mini-ImageNet基准测试中对少量样本分类时产生相似的性能，由于更新具有较小的方差，因此Reptile也可以更快的收敛到解决方案。

Omniglot：

https://github.com/brendenlake/omniglot

Mini-ImageNet：

https://arxiv.org/abs/1606.04080

我们对Reptile的分析表明，通过不同的SGD梯度组合，可以获得大量不同的算法。在下图中，假设针对每一任务中不同小批量执行k步SGD，得出的梯度分别为g1,g2,…,gk。

下图显示了在 Omniglot 上由梯度之和作为元梯度而绘制出的学习曲线。g2对应一阶MAML，也就是原先MAML论文中提出的算法。由于方差缩减，纳入更多梯度明显会加速学习过程。需要注意的是，仅仅使用g1（对应k=1）并不会给这个任务带来改进，因为零样本学习的性能无法得到改善。

X坐标：外循环迭代次数

Y坐标:Omniglot对比5种方式的

5次分类的准确度

算法实现

我们在GitHub上提供了Reptile的算法实现，它使用TensorFlow来完成相关计算，并包含用于在Omniglot和Mini-ImageNet上小样本分类实验的代码。我们还发布了一个较小的JavaScript实现，对TensorFlow预先训练好的模型进行了微调。文章开头的互动演示也是借助JavaScript完成的。

GitHub：

https://github.com/openai/supervised-reptile

较小的JavaScript实现：

https://github.com/openai/supervised-reptile/tree/master/web

最后，展示一个小样本回归（few-shot regression）的简单示例，用以预测10(x,y)对的随机正弦波。该示例基于PyTorch实现，代码如下：

import numpy as np
import torch
from torch import nn, autograd as ag
import matplotlib.pyplot as plt
from copy import deepcopy

seed = 0
plot = True
innerstepsize = 0.02 # stepsize in inner SGD
innerepochs = 1 # number of epochs of each inner SGD
outerstepsize0 = 0.1 # stepsize of outer optimization, i.e., meta-optimization
niterations = 30000 # number of outer updates; each iteration we sample one task and update on it

rng = np.random.RandomState(seed)
torch.manual_seed(seed)

# Define task distribution
x_all = np.linspace(-5, 5, 50)[:,None] # All of the x points
ntrain = 10 # Size of training minibatches
def gen_task():
    "Generate classification problem"
    phase = rng.uniform(low=0, high=2*np.pi)
    ampl = rng.uniform(0.1, 5)
    f_randomsine = lambda x : np.sin(x + phase) * ampl
    return f_randomsine

# Define model. Reptile paper uses ReLU, but Tanh gives slightly better results
model = nn.Sequential(
    nn.Linear(1, 64),
    nn.Tanh(),
    nn.Linear(64, 64),
    nn.Tanh(),
    nn.Linear(64, 1),
)

def totorch(x):
    return ag.Variable(torch.Tensor(x))

def train_on_batch(x, y):
    x = totorch(x)
    y = totorch(y)
    model.zero_grad()
    ypred = model(x)
    loss = (ypred - y).pow(2).mean()
    loss.backward()
    for param in model.parameters():
        param.data -= innerstepsize * param.grad.data

def predict(x):
    x = totorch(x)
    return model(x).data.numpy()

# Choose a fixed task and minibatch for visualization
f_plot = gen_task()
xtrain_plot = x_all[rng.choice(len(x_all), size=ntrain)]

# Reptile training loop
for iteration in range(niterations):
    weights_before = deepcopy(model.state_dict())
    # Generate task
    f = gen_task()
    y_all = f(x_all)
    # Do SGD on this task
    inds = rng.permutation(len(x_all))
    for _ in range(innerepochs):
        for start in range(0, len(x_all), ntrain):
            mbinds = inds[start:start+ntrain]
            train_on_batch(x_all[mbinds], y_all[mbinds])
    # Interpolate between current weights and trained weights from this task
    # I.e. (weights_before - weights_after) is the meta-gradient
    weights_after = model.state_dict()
    outerstepsize = outerstepsize0 * (1 - iteration / niterations) # linear schedule
    model.load_state_dict({name :
        weights_before[name] + (weights_after[name] - weights_before[name]) * outerstepsize
        for name in weights_before})

    # Periodically plot the results on a particular task and minibatch
    if plot and iteration==0 or (iteration+1) % 1000 == 0:
        plt.cla()
        f = f_plot
        weights_before = deepcopy(model.state_dict()) # save snapshot before evaluation
        plt.plot(x_all, predict(x_all), label="pred after 0", color=(0,0,1))
        for inneriter in range(32):
            train_on_batch(xtrain_plot, f(xtrain_plot))
            if (inneriter+1) % 8 == 0:
                frac = (inneriter+1) / 32
                plt.plot(x_all, predict(x_all), label="pred after %i"%(inneriter+1), color=(frac, 0, 1-frac))
        plt.plot(x_all, f(x_all), label="true", color=(0,1,0))
        lossval = np.square(predict(x_all) - f(x_all)).mean()
        plt.plot(xtrain_plot, f(xtrain_plot), "x", label="train", color="k")
        plt.ylim(-4,4)
        plt.legend(loc="lower right")
        plt.pause(0.01)
        model.load_state_dict(weights_before) # restore from snapshot
        print(f"-----------------------------")
        print(f"iteration               {iteration+1}")
        print(f"loss on plotted curve   {lossval:.3f}") # would be better to average loss over a set of examples, but this is optimized for brevity