采样方法

原地址：https://blog.csdn.net/u011332699/article/details/74298555

引子

最近开始拾起来看一些NLP相关的东西，特别是深度学习在NLP上的应用，发现采样方法在很多模型中应用得很多，因为训练的时候如果预测目标是一个词，直接的softmax计算量会根据单词数量的增长而增长。恰好想到最开始深度学习在DBN的时候采样也发挥了关键的作用，而自己对采样相关的方法了解不算太多，所以去学习记录一下，经典的统计的方法确实巧妙，看起来非常有收获。

本篇文章先主要介绍一下经典的采样方法如Inverse Sampling、Rejective Sampling以及Importance Sampling和它在NLP上的应用，后面还会有一篇来尝试介绍MCMC这一组狂炫酷拽的算法。才疏学浅，行文若有误望指正。

Why Sampling

采样是生活和机器学习算法中都会经常用到的技术，一般来说采样的目的是评估一个函数在某个分布上的期望值，也就是

E[f(x)],x∼p,p is a distribution.E[f(x)],x∼p,p is a distribution.

比如我们都学过的抛硬币，期望它的结果是符合一个伯努利分布的，定义正面的概率为 pp ,反面概率为 1−p1−p 。最简单地使 f(x)=xf(x)=x ，在现实中我们就会通过不断地进行抛硬币这个动作，来评估这个概率p。 

E[f(x)]≈1m∑i=1mf(xi).  xi∼pE[f(x)]≈1m∑i=1mf(xi).  xi∼p

这个方法也叫做蒙特卡洛法（Monte Carlo Method），常用于计算一些非常复杂无法直接求解的函数期望。 
对于抛硬币这个例子来说: 

E[f(x)]=p≈1m∑i=1mxi=cntumE[f(x)]=p≈1m∑i=1mxi=cntum

其期望就是抛到正面的计数 cntucntu 除以总次数 mm 。 
而我们抛硬币的这个过程其实就是采样，如果要用程序模拟上面这个过程也很简单，因为伯努利分布的样本很容易生成： 

yi∼Uniform(0,1)，so xi=I(y<p)yi∼Uniform(0,1)，so xi=I(y<p)

而在计算机中的随机函数一般就是生成0到1的均匀分布随机数。

Sampling Method

可以看到蒙特卡洛法其实就是按一定的概率分布中获取大量样本，用于计算函数在样本的概率分布上的期望。其中最关键的一个步骤就是如何按照指定的概率分布p进行样本采样，抛硬币这个case里伯努利分布是一个离散的概率分布，它的概率分布一般用概率质量函数（pmf）表示，相对来说比较简单，而对于连续概率分布我们需要考虑它的概率密度函数（pdf）： 

比如上图示例分别是标准正态分布概率密度函数，它们的面积都是1（这是概率的定义），如果我们可以按照相应概率分布生成很多样本，那这些样本绘制出来的直方图应该跟概率密度函数是一致的。 
而在实际的问题中，p的概率密度函数可能会比较复杂，我们由浅入深，看看如何采样方法如何获得服从指定概率分布的样本。

Inverse Sampling

对于一些特殊的概率分布函数，比如指数分布： 

pexp(x)={λexp(−λx)0,x≥0,x<0pexp(x)={λexp(−λx),x≥00,x<0

我们可以定义它的概率累积函数(Cumulative distribution function)，也就是(ps.这个’F’和前面的’f’函数并没有关系) 

F(x)=∫x−∞p(x)dxF(x)=∫−∞xp(x)dx

从图像上看就是概率密度函数小于x部分的面积。这个函数在 x≥0x≥0 的部分是一个单调递增的函数(在定义域上单调非减)，定义域和值域是 [0,+∞)→[0,1)[0,+∞)→[0,1) ，画出来大概是这样子的一个函数，在 p(x)p(x) 大的地方它增长快（梯度大），反之亦然：

因为它是唯一映射的（在>0的部分，接下来我们只考虑这一部分），所以它的反函数可以表示为F−1(a)，a∈[0,1),值域为[0,+∞)F−1(a)，a∈[0,1),值域为[0,+∞)

因为F单调递增，所以F−1F−1也是单调递增的： 

x≤ya≤b⇒F(x)≤F(y)⇒F−1(a)≤F−1(b)x≤y⇒F(x)≤F(y)a≤b⇒F−1(a)≤F−1(b)

利用反函数的定义，我们有： 

F−1(a)<x,iff  a<F(x)F−1(a)<x,iff  a<F(x)

我们定义一下[0,1]均匀分布的CDF,这个很好理解： 

P(a≤x)=H(x)=⎧⎩⎨⎪⎪1x0,x≥1,0≤x≤1,x<0P(a≤x)=H(x)={1,x≥1x,0≤x≤10,x<0

所以 

P(F−1(a)≤x)=P(a≤F(x))=H(F(x))因为F(x)的值域[0,1)，所以上式P(F−1(a)≤x)=H(F(x))=F(x)P(F−1(a)≤x)=P(a≤F(x))=H(F(x))因为F(x)的值域[0,1)，所以上式P(F−1(a)≤x)=H(F(x))=F(x)

根据 F(x)F(x) 的定义， 它是exp分布的概率累积函数 ，所以上面这个公式的意思是 F−1(a)F−1(a) 符合exp分布, 我们通过F的反函数将一个0到1均匀分布的随机数转换成了符合exp分布的随机数 ，注意，以上推导对于cdf可逆的分布都是一样的，对于exp来说，它的反函数的形式是： 

F−1exp(a)=−1λ∗log(1−a)Fexp−1(a)=−1λ∗log(1−a)

具体的映射关系可以看下图(a)，我们从y轴0-1的均匀分布样本（绿色）映射得到了服从指数分布的样本（红色）。 

我们写一点代码来看看效果,最后绘制出来的直方图可以看出来就是exp分布的图，见上图(b)，可以看到随着采样数量的变多，概率直方图和真实的CDF就越接近：

def sampleExp(Lambda = 2,maxCnt = 50000):
    ys = []
    standardXaxis = []
    standardExp = []
    for i in range(maxCnt):
        u = np.random.random()
        y = -1/Lambda*np.log(1-u) #F-1(X)
        ys.append(y)
    for i in range(1000):
        t = Lambda * np.exp(-Lambda*i/100)
        standardXaxis.append(i/100)
        standardExp.append(t)
    plt.plot(standardXaxis,standardExp,'r')
    plt.hist(ys,1000,normed=True)
    plt.show()

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Rejective Sampling

我们在学习随机模拟的时候通常会讲到用采样的方法来计算ππ值，也就是在一个1×1的范围内随机采样一个点，如果它到原点的距离小于1,则说明它在1/4圆内，则接受它，最后通过接受的占比来计算1/4圆形的面积，从而根据公式反算出预估的ππ值，随着采样点的增多，最后的结果π̂ π^会越精准。 

上面这个例子里说明一个问题，我们想求一个空间里均匀分布的集合面积，可以尝试在更大范围内按照均匀分布随机采样，如果采样点在集合中，则接受，否则拒绝。最后的接受概率就是集合在‘更大范围’的面积占比。

当我们重新回过头来看想要sample出来的样本服从某一个分布p，其实就是希望样本在其概率密度函数p(x)p(x)高的地方出现得更多，所以一个直觉的想法，我们从均匀分布随机生成一个样本xixi,按照一个正比于p(xi)p(xi)的概率接受这个样本，也就是说虽然是从均匀分布随机采样，但留下的样本更有可能是p(x)p(x)高的样本。

这样的思路很自然，但是否是对的呢。其实这就是Rejective Sampling的基本思想，我们先看一个很intuitive的图 

假设目标分布的pdf最高点是1.5,有三个点它们的pdf值分别是 

p(x1)p(x2)p(x3)=1.5;=0.5;=0.3;p(x1)=1.5;p(x2)=0.5;p(x3)=0.3;

因为我们从x轴上是按均匀分布随机采样的，所以采样到三个点的概率都一样，也就是 

q(x1)=q(x2)=q(x3)q(x1)=q(x2)=q(x3)

接下来需要决定每个点的接受概率 acc(xi)acc(xi) ，它应该正比于 p(xi)p(xi) ，当然因为是概率值也需要小于等于1. 
我们可以画一根 y=2y=2 的直线，因为整个概率密度函数都在这根直线下，我们设定 

acc(xi)=p(xi)2;所以acc(x1)=0.75;acc(x2)=0.25;acc(x3)=0.15;acc(xi)=p(xi)2;所以acc(x1)=0.75;acc(x2)=0.25;acc(x3)=0.15;

我们要做的就是生成一个0-1的随机数 xixi ，如果它小于接受概率 acc(xi)acc(xi) ，则留下这个样本。因为 acc∝pacc∝p ，所以可以看到因为 p(x1)p(x1) 是 p(x2)p(x2) 的3倍，所以 acc(x1)=3acc(x2)acc(x1)=3acc(x2) 。同样采集100次，最后留下来的样本数期望也是3倍。这根本就是概率分布的定义!

我们将这个过程更加形式化一点，我们我们又需要采样的概率密度函数p(x)p(x)，但实际情况我们很有可能只能计算出p̃ (x)p~(x),有p(x)=p̃ (x)Zpp(x)=p~(x)Zp。我们需要找一个可以很方便进行采样的分布函数q(x)q(x)并使 

cq(x)≥p̃ (x)cq(x)≥p~(x)

其中c是需要选择的一个常数。然后我们从 qq 分布中随机采样一个样本 xixi ,并以 

acc(xi)=p̃ (xi)cq(xi)acc(xi)=p~(xi)cq(xi)

的概率决定是否接受这个样本。重复这个过程就是「拒绝采样」算法了。

在上面的例子我们选择的q分布是均匀分布，所以从图像上看其pdf是直线，但实际上cq(x)cq(x)和p̃ (x)p~(x)越接近，采样效率越高，因为其接受概率也越高： 

Importance Sampling

上面描述了两种从另一个分布获取指定分布的采样样本的算法，对于1.在实际工作中，一般来说我们需要sample的分布都及其复杂，不太可能求解出它的反函数，但p(x)p(x)的值也许还是可以计算的。对于2.找到一个合适的cq(x)cq(x)往往很困难，接受概率有可能会很低。 
那我们回过头来看我们sample的目的：其实是想求得E[f(x)],x∼pE[f(x)],x∼p,也就是 

E[f(x)]=∫xf(x)p(x)dxE[f(x)]=∫xf(x)p(x)dx

如果符合p(x)分布的样本不太好生成，我们可以引入另一个分布 q(x)q(x) ，可以很方便地生成样本。使得 

∫xf(x)p(x)dxwhere  g(x)=∫xf(x)p(x)q(x)q(x)dx=∫xg(x)q(x)dx=f(x)p(x)q(x)=f(x)w(x)∫xf(x)p(x)dx=∫xf(x)p(x)q(x)q(x)dx=∫xg(x)q(x)dxwhere  g(x)=f(x)p(x)q(x)=f(x)w(x)

我们将问题转化为了求 g(x)g(x) 在 q(x)q(x) 分布下的期望！！！ 
我们称其中的 w(x)=p(x)q(x)w(x)=p(x)q(x)  叫做 Importance Weight .

Importance Sample 解决的问题

首先当然是我们本来没办法sample from p，这个是我们看到的，IS将之转化为了从q分布进行采样；同时IS有时候还可以改进原来的sample，比如说: 

可以看到如果我们直接从p进行采样，而实际上这些样本对应的f(x)f(x)都很小，采样数量有限的情况下很有可能都无法获得f(x)f(x)值较大的样本，这样评估出来的期望偏差会较大；

而如果我们找到一个qq分布，使得它能在f(x)∗p(x)f(x)∗p(x)较大的地方采集到样本，则能更好地逼近[Ef(x)][Ef(x)]，因为有Importance Weight控制其比重，所以也不会导致结果出现过大偏差。

所以选择一个好的p也能帮助你sample出来的效率更高，要使得f(x)p(x)f(x)p(x)较大的地方能被sample出来。

无法直接求得p(x)的情况

上面我们假设g(x)g(x)和q(x)q(x)都可以比较方便地计算，但有些时候我们这个其实是很困难的，更常见的情况市我们能够比较方便地计算p̃ (x)p~(x)和q̃ (x)q~(x) 

p(x)=p̃ (x)Zpq(x)=q̃ (x)Zqp(x)=p~(x)Zpq(x)=q~(x)Zq

其中 Zp/qZp/q 是一个标准化项（常数），使得 p̃ (x)p~(x) 或者 p̃ (x)p~(x) 等比例变化为一个概率分布，你可以理解为softmax里面那个除数。也就是说 

Zp=∫xp̃ (x)dxZq=∫xq̃ (x)dxZp=∫xp~(x)dxZq=∫xq~(x)dx

这种情况下我们的importance sampling是否还能应用呢？ 

∫xf(x)p(x)dxwhere  g̃ (x)=∫xf(x)p(x)q(x)q(x)dx=∫xf(x)p̃ (x)/Zpq̃ (x)/Zqq(x)dx=ZqZp∫xf(x)p̃ (x)q̃ (x)q(x)dx=ZqZp∫xg̃ (x)q(x)dx=f(x)p̃ (x)q̃ (x)=f(x)w̃ (x)∫xf(x)p(x)dx=∫xf(x)p(x)q(x)q(x)dx=∫xf(x)p~(x)/Zpq~(x)/Zqq(x)dx=ZqZp∫xf(x)p~(x)q~(x)q(x)dx=ZqZp∫xg~(x)q(x)dxwhere  g~(x)=f(x)p~(x)q~(x)=f(x)w~(x)

而 ZqZpZqZp 我们直接计算并不太好计算，而它的倒数： 

ZpZq=1Zq∫xp̃ (x)dx而Zq=q̃ (x)/q(x)所以ZpZq=∫xp̃ (x)q̃ (x)q(x)dx=∫xw̃ (x)q(x)dxZpZq=1Zq∫xp~(x)dx而Zq=q~(x)/q(x)所以ZpZq=∫xp~(x)q~(x)q(x)dx=∫xw~(x)q(x)dx

因为我们家设能很方便地从q采样，所以上式其实又被转化成了一个蒙特卡洛可解的问题，也就是 

ZpZq=1m∑i=1mw̃ (xi).   xi∼qZpZq=1m∑i=1mw~(xi).   xi∼q

最终最终，原来的蒙特卡洛问题变成了 ： 

Ef(x)=∑i=1mŵ (xi)f(xi).xi∼q其中ŵ (xi)=w̃ (xi)∑mj=1w̃ (xj)Ef(x)=∑i=1mw^(xi)f(xi).xi∼q其中w^(xi)=w~(xi)∑j=1mw~(xj)

所以我们完全不用知道q(x)确切的计算值，就可以近似地从中得到在q分布下 f(x)f(x) 的取值！！amazing！

Importance Sampling在深度学习里面的应用

在深度学习特别是NLP的Language Model中，训练的时候最后一层往往会使用softmax函数并计算相应的梯度。 

而我们知道softmax函数的表达式是： 

P(yi)=softmax(xTwi)=exTwiZZ=∑j=1|V|exTwjP(yi)=softmax(xTwi)=exTwiZZ=∑j=1|V|exTwj

要知道在LM中m的大小是词汇的数量决定的，在一些巨大的模型里可能有几十万个词，也就意味着计算Z的代价十分巨大。

而我们在训练的时候无非是想对softmax的结果进行求导，也就是说 

Δθ(logP(yi))=Δθ(xTwi)−∑y′∈VP(y′)Δθ(xTw′)Δθ(logP(yi))=Δθ(xTwi)−∑y′∈VP(y′)Δθ(xTw′)

后面那一块，我们好像看到了熟悉的东西，没错这个形式就是为采样量身定做似的。 

∑y′∈VP(y′)Δθ(xTw′)=EP[Δθ(xTw′)]∑y′∈VP(y′)Δθ(xTw′)=EP[Δθ(xTw′)]

经典的蒙特卡洛方法就可以派上用途了，与其枚举所有的词，我们只需要从V里sample出一些样本词，就可以近似地逼近结果了。

同时直接从PP中sample也不可取的，而且计算PP是非常耗时的事情（因为需要计算Z），我们一般只能计算P̃ (y)P~(y)，而且直接从PP中sample也不可取，所以我们选择另一个分布QQ进行Importance Sample即可。

一般来说可能选择的QQ分布是简单一些的n−gramn−gram模型。下面是论文中的算法伪代码，基本上是比较标准的流程（论文图片的符号和上面的描述稍有出入，理解一下过程即可）： 

References

【1】mathematicalmonk’s machine learning course on y2b. machine learing 
【2】Pattern Recognition And Machine Learning 
【3】Adaptive Importance Sampling to Accelerate Training 
of a Neural Probabilistic Language Model.Yoshua Bengio and Jean-Sébastien Senécal.