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$\theta$，记为：

$ y = f_{\theta}(x)\tag{1} $

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$f_{\theta + \Delta \theta}(x)$后是否还能达到相近的效果？而且还要考虑模型最终是否能恢复到$f_{\theta}(x)$；二是对于输入扰动的稳定性，比如输入从$x$变成了$x+\Delta x$后，$f_{\theta}(x+\Delta x)$是否能给出相近的预测结果。读者或许已经听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$\Vert x_1-x_2\Vert$很小时

\[\begin{equation}\Vert f_{\theta}(x_1) - f_{\theta}(x_2)\Vert\tag{2}\end{equation}\]

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

\[\begin{equation}\Vert f_{\theta}(x_1) - f_\theta(x_2)\Vert\leq C(\theta)\cdot \Vert x_1 - x_2 \Vert\tag{3}\end{equation}\]

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

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$C(\theta)$的表达式，并且希望$C(\theta)$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

简单起见，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(3)变为

\[\begin{equation}\Vert f(Wx_1+b) - f(Wx_2+b)\Vert\leq C(W,b)\cdot \Vert x_1 - x_2 \Vert\tag{4}\end{equation}\]

让$x_1,x_2$充分接近，那么就可以将左边用一阶项近似，得到

\[\begin{equation}\left\Vert \frac{\partial f}{\partial x}W(x_1 - x_2)\right\Vert\leq C(W,b)\cdot \Vert x_1 - x_2 \Vert\tag{5}\end{equation}\]

这里就需要再次回顾一下高等数学中求导公式
\[\frac{f(x+\Delta x) - f(x)}{\Delta x} = f'(x)\]
不知道大家有没有想过分母为什么是$\Delta x$，实际上是由于分子两个$f$的参数相减得到的，那么类比我们就可以得到
\[\frac{f(x + x_1)-f(x+x_2)}{x_1-x_2} = f'(x)\]
最终回到式(5)
\[\frac{f(Wx_1+b)-f(Wx_2+b)}{W(x_1-x_2)}=f'(x)\]

显然，我们希望左边不超过右边，$\frac{\partial f}{\partial x}$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$\frac{\partial f}{\partial x}$这一项只带来一个常数，我们暂时忽略它，接下来我们只需要考虑$\Vert W(x_1-x_2)\Vert$

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

\[\begin{equation}\Vert W(x_1 - x_2)\Vert\leq C(W, b)\cdot \Vert x_1 - x_2 \Vert\tag{6}\end{equation}\]

恒成立，那么$C$的表达式是什么？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$C^2$

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

\[\begin{equation}\Vert W\Vert_2 = \max_{x\neq 0}\frac{\Vert Wx\Vert}{\Vert x\Vert}\label{eq:m-norm}\tag{7}\end{equation}\]

式(7)中的$x$实际上可以看作是$(x_1-x_2)$，那么有
\[C = \frac{\Vert W(x_1-x_2)\Vert}{\Vert x_1-x_2\Vert} = \Vert W\Vert_2\]

如果$W$是一个方阵，那么该范数又称为”谱范数”，在本文中就算它不是方阵我们也叫它”谱范数”好了。注意$\Vert Wx\Vert$和$\Vert x\Vert$指的都是向量的范数，就是普通的向量模长。有了向量范数的概念后，我们就有

\[\begin{equation}\Vert W(x_1 - x_2)\Vert\leq \Vert W\Vert_2\cdot\Vert x_1 - x_2 \Vert\tag{8}\end{equation}\]

其实也没做啥，就换了个记号而已，将$C$换为$\Vert W\Vert_2$，而$\Vert W\Vert_2$等于多少我们还是没有搞出来

Frobenius范数

其实谱范数$\Vert W\Vert_2$的准确概念和计算方法要用到比较多的线性代数的概念，我们暂时不研究它，而是先研究一个更简单的范数：Frobenius范数，简称F范数。它的定义特别简单

\[\begin{equation}\Vert W\Vert_F = \sqrt{\sum_{i,j}w_{ij}^2}\tag{9}\end{equation}\]

说白了就是直接把矩阵当成一个向量，然后求向量的欧式模长。简单通过柯西不等式，我们就能证明

\[\begin{equation}\Vert Wx\Vert\leq \Vert W\Vert_F\cdot\Vert x \Vert\tag{10}\end{equation}\]

很明显$\Vert W\Vert_F$提供了$\Vert W\Vert_2$的一个上界，也就是说，你可以理解为$\Vert W\Vert_2$是式(6)中最准确的$C$（所有满足式(6)的$C$中最小的那个），但如果你不太关心精准度，你可以直接取$C=\Vert W\Vert_F$，也能使得(6)成立，毕竟$\Vert W\Vert_F$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的满足L约束，我们应当希望$C=\Vert W\Vert_2$尽可能小，我们可以把$C^2$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$\Vert W\Vert_2$，但我们算出了一个更大的上界$\Vert W\Vert_F$，那就先用着它吧，即loss为

\[\tilde{\mathcal{L}} = \mathcal{L}(y, f_{\theta}(x)) + \lambda\Vert W \Vert_F^2\tag{11}\]

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

\[\begin{equation}\lambda\left(\sum_{i,j}w_{ij}^2\right)\tag{12}\end{equation}\]

这不就是L2正则化吗？终于，捣鼓了一番，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

Reference

面试经验

why

约束的角度 1.假设先验分布，限制了分布；拉格朗日限制范围; 模型复杂度

l1正则化可通过假设权重的先验分布为拉普拉斯分布，由最大后验概率估计导出； l2正则化可通过假设权重的先验分布为高斯分布，由最大后验概率估计导出。

2.梯度角度

L1：是绝对值之和。当w大于0时，梯度始终为正常数，更新的参数w变小；当w小于0时，梯度始终为负常数，更新的参数w变大；所以，L1正则化容易使参数变为0，即特征稀疏化。 L2：是平方和。当w趋向于0时，参数减小的非常缓慢，因此L2正则化使参数减小到很小的范围，但不为0

本质还是想约束，但是why要约束

泛化性=稳健=模型本身的梯度小

L1、L2的适用场景

由于L1、L2的特点，因此它们也有各自不同的适用场景。

L1：使模型中尽可能多的参数值为0，因此适用于：模型剪枝，模型压缩，特征选择。是一种从改变模型结构的角度（减少模型参数的数量）解决过拟合的方式。

L2：使模型中的所有参数值尽可能小，使得模型尽量不依赖于某几个特殊的特征，而是使每个特征都得到尽量均衡的权重，因此适用于解决普通的过拟合问题，即从参数分布（让分布尽可能的均匀）的角度解决过拟合的问题，这也是常用的解决过拟合的方式。