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元学习网络学会“加减”函数:把两个已适应网络相减再相加,新网络未经训练就实现目标函数

核心概要

元学习(先用大量相关函数训练网络,使其更容易学会同类新函数)得到的初始化,让网络快速适应后的参数向量之间出现可加减的几何关系。在ABgeom序列生成任务上,随机初始化Transformer训练五步后平均F-score仅0.062,而元学习初始化一步即达1.00;把已适应网络的参数向量按符号类比相减再相加,所得网络未经直接训练,在100个类比上平均F-score为1.00。这一现象在Transformer与LSTM、三个函数域上均出现,但类比只在单个初始化附近成立。

Source-provided article image: Linking Rapid Learning to Compositional Structure in Neural Networks: Evidence from Additive Analogies in Meta-Learned Parameter Spaces
arXiv

深度剖析

元学习调好的网络初始点,使网络快速适应后到达的参数向量之间出现可做加减的几何关系,按函数间的符号类比重组这些向量,能得到实现目标函数的新网络。 此前已知这类元学习网络能快速学会新函数,但初始参数里究竟编码了什么、使快速学习成为可能并不清楚;随机初始化的网络在同一任务上则学得很慢。 在ABgeom序列生成任务上,随机初始化Transformer训练五个批次后平均F-score为0.062,元学习初始化一步即达1.00,两者均在400个目标函数和10个网络实例上平均。

做法是把每个已适应网络的参数摊平成一个向量,当作它所实现函数的表示,再按“A之于B如同C之于D”的符号关系写出向量加减式,直接构造新网络的参数。 这一检验借用了词向量中“king减man加woman约等于queen”的加法类比思路,但把对象从词表示上移到整个函数的实现。 在ABgeom上随机生成100个只改变一个词法分量的类比,重组所得网络平均F-score为1.00,在10个元学习Transformer上平均;在Transformer与LSTM、ABgeom、ABparity、ABlength三个函数域的组合上,重组网络的平均F-score均明显高于随机水平。

这种几何结构只在单个元学习初始化附近成立,跨两个不同初始化写出的类比全部失败。 若结构来自架构或任务本身的全局组织,不同初始化之间应当可以互换使用同一差值向量。 跨初始化类比的平均F-score为0,且不同LSTM实例在ABlength上自发采用了不同的句法表示。

启示与展望

结论建立在Transformer与LSTM两种架构、ABgeom、ABparity、ABlength三个合成序列生成函数域上,每个设置使用10个元学习初始化,类比性能以采样序列的F-score衡量。适合关注元学习、少样本适应与表示几何的研究者阅读;把方法扩展到更丰富函数域,需要能在不预设函数关系的前提下发现参数空间几何结构的手段。

每个类比只检验一种关于函数域如何被几何表示的假设,类比失败不能推出不存在其他几何结构;作者用取多种句法表示最大值的平均F-score缓解这一点,但承认无法穷举所有表示。几何结构是否对快速学习起因果作用,仍需后续工作直接检验。