迁移学习应用（二）

今天我们继续来介绍和梳理一些和迁移学习相关的内容，先来介绍几个在一个台湾大学ML课程学到的几个模型。
第一个模型的任务描述下：
$source$ $data =(x^s,y^s)$
$target$ $data = (x^t)$
$task(source)=task(target)$
简单而言，就是source data是由标注的数据，但是target数据确没有标注，但是source data和target data对应的是同样的任务，比方说都是把图片中的数字识别到1-10，都是把一段文本的情感信息分为正向和负向。如果直接用source data训练出模型运用在target data上，由于source data和target data又不属于同一分布，效果肯定非常的烂，如下图所示：

以图像识别为例，source data就是图中的黑白底色的数字识别问题，target data就是图中的彩色底色的数字识别问题。从图中可以清楚的看出，整个网络分为两个部分：1 特征提取层（绿色部分）；2 分类识别部分（蓝色部分）。如果按照source data的$(x^s,y^s)$进行训练，那么特征提取层提取到的数据在target data和source data上的分布如图中的蓝色点和红色点那样，从中可以看出红点和蓝色的分布是有显著差异的(蓝点指的是source data的，红点指的是target data的，蓝点在特征提取部分就被很好的聚成了10簇)，因此我们的思路就是如何让特征提取部分把source data和target data映射到同一分布上去，这样后面的分类识别部分的参数就可以直接迁移到target data上用了。具体的策略如下所示：

可以看出相对于上图，增加了红色的部分，这部分叫做domain classifier，它是用来区分target data和source data的。之所以这个网络叫做Domain-adversarial ，是因为feature extractor部分是为了让source和target数据尽量混在一起，而domain classifier是为了尽量区分target data和source data，这两个部分互相对抗，让彼此之间都越来越强（和GAN的思想非常类似），我们最后需要的就是feature extractor，这样source data就和target data完美的混合在了一起，这样训练出的label classifier就能很好的迁移到target任务中去。可以看出，整个网络各个部分都有不同的功能、不同的目标，就像老师说的“各怀鬼胎”，具体来说整个网络如何训练，采用了gradient reversal layer技术，如下所示：

其实就是在domain classifier部分进行梯度误差传播的时候，到了feature extractor部分就将从domain classifier传过来的梯度取反，这样feature extractor和domain classifier就拥有了相反的优化目标：domain classifier是拼命区分source data和target data，feature拼命混淆source data和target data，同时feature extractor还要保证抽取出的特征还要能够给label classifier 正确分类，这样就能够利仅仅利用有标注的source data来训练出适合在target data上运行的模型。

课程上说其实这样的网络训练起来并不容易，因为网络最终目标是要训练出的feature extractor要打败domain classifier，一开始的时候还要让domain classifier保持一定的“战斗力”，这样对手的强大才能把feature extractor的性能逼到极限，即让domain classifier“分离挣扎”后再死（你只有打败更强的对手，才能使自己的实力达到最强）。如果一开始domain classifier就很弱，一上来就被“干死”，恐怕也很难训练出高混淆性能的feature extractor。

第二个模型任务如下：
$source$ $data =(x^s,y^s)$
$target$ $data = (x^t)$
$task(source)$ != $task(target)$
和第一个模型任务一样的是第二个模型面对的source data也是有标注的，target data也是无标注的，但是不同的是第二个模型面对的场景是source data和target data拥有不同的task，比方说source data数据是区分狗和猫，但是target data则是区分狮子和老虎，由于任务空间即 $y_i$ 都不一样了，直接对source data进行训练其实意义并不大，所以这个时候要对原始的问题进行一些巧妙的转换，一种转换方式如下：

简单来说，就是把直接对于类别的预测和判断，转换到对属性的预测和判断中来，虽然$space_{猫狗}$和$space_{狮子老虎}$ 不一致，但是所有动物都可按照属性进行划分，比方说：是否有尾巴，是几条腿，毛皮的颜色等，这样虽然对于未知的类别分类器无法直接判断，起码我可以知道这个未知的类别拥有怎样的属性特征。

当然定义那些合适的反应动物的属性特征是需要一定的专家知识，如果我们没有这样的知识，就可以借助从大规模语料中训练出的词向量信息，比方说狗的属性信息就可以从“狗”词对应的word embedding中反映出来，图中x代表的就是待识别的图片信息，y代表的就是word embedding信息，当然这两个信息属于不同的空间，需要$f(x)$和$g(x)$来将它们分别映射到同一空间，那么如何来学习$f(x)$和$g(x)$，其优化形式如下：
$f^*,g^*=arg$ $min_{f,g}\sum_n max(0,k-f(x^n)*g(y^n)+max_{m!=n}f(x^n)*g(y^m))$
也就是让映射不但具有相同含义的$f(x)$和$g(x)$之间的距离尽可能的近，而且要让不同含义的$f(x)$和$g(x)$距离尽可能的远。这样来一个新图片的时候，可以将其映射到统一空间中去，看其和哪个词向量映射后的距离更近，就认为其属于哪一个类型。

第三个要讲的是一篇2017年ACL的一篇paper《Cross-lingual Distillation for Text Classification》，跨语言的文本分类模型。其实从本质上来看，这个模型和第一部分介绍的情况是非常类似的，也是source data有label，target data没有label，而这里的source data指的是英文，target data指的是中文。
首先，任务描述如下：我们有一批标注好的英文数据集（比方说按照情感倾向进行标注），一批无标注的英文数据集以及对应翻译的中文数据集，一批需要test的中文数据集，即对中文数据进行情感倾向判断，需要从英文标注的数据集中学习规律，运用到中文数据集中去。
整个网络的学习策略如下：
1 类比第一部分讲的feature extractor-domain classifier对抗模式，在英文有标注和无标注数据集中训练出模型A；
2 将A模型对英文无标注数据进行soft预测，并对其对应的中文翻译打label；
3 同样使用第一部分讲的feature extractor-domain classifier对抗模式，对中文有标注（在对中文训练的时候，采用的是soft的方式）和中文test进行训练，并最终对test预测结果。
这里首先说一下提到的soft预测，soft的方式，这个soft到底指的是什么，公式如下所示：
$p_i=\frac{exp(q_i/T)}{\sum_{k=1}^{|V|}exp(q_k/T)}$
和普通的softmax相比，这个soft的方式就是都除了一个T，相当于放缩了一下，增加了平滑度。在这篇paper提出的模型中，实验部分的feature extractor使用的是CNN（其他的网络结构比方说RNN也同样适用）