f-divergence

https://windmissing.github.io/mathematics_basic_for_ML/Information/Divergence.html#f-divergence

$$ \begin{aligned} D_f(P||Q) = \int_x q(x) f\left(\frac{p(x)}{q(x)}\right) && (1) \end{aligned} $$

f(x) is convex && f(1) = 0

Fenchel Gonjugate

https://windmissing.github.io/mathematics_basic_for_ML/Mathematics/function.html

$$ \begin{cases} f^(t) = \max_{x\in dom(f)}{xt - f(x)} && (2)\ f(x) = \max_{x\in dom(f^)}{xt - f^*(t)} && (3) \end{cases} $$

GAN

由于公式（1）中的f函数是convex的，所以可以用f(x)的conjugate function来表示它。即把公式（3）代入公式（1），得：
$$ D_f(P||Q) = \int_x q(x)\left(\max{\frac{p(x)}{q(x)}t - f^*(t)}\right)dx $$

t是什么？

GAN的目标是希望网络D的输入是x，输出是t，所以可以用D(x)代替t，得：

$$ \begin{aligned} D_f(P||Q) &\ge& \int_x q(x)\left(\max{\frac{p(x)}{q(x)}D(x) - f^(D(x))}\right)dx \ &\approx& \max_D \int_x p(x)D(x)dx - \int_x q(x) f^(D(x))dx \ &=& \max_D {E_{x\sim P}\left[D(x)\right] - E_{x\sim Q}\left[f^*\left(D(x)\right)\right]} && (4) \end{aligned} $$

以上公式中，

分布P代表GAN中的$P_{\text{data}}$
分布Q代表GAN中的$P_{\text{G}}$
f* 可以取不同的divergence，当$f^*(t) = \exp(t-1)$时，对应的是KL divergence。

网络G的目标是：最小化$D_f(P_{\text{data}}||P_{\text{G}})$，即
$$ \begin{aligned} G^* = \arg\min_G D_f(P_{\text{data}}||P_{\text{G}}) && (5) \end{aligned} $$

可以将公式（4）代入公式（5）来求G*
使用不同的$f*$将得到不同的$G*$和$D*$

为什么要使用不同的divergence？

传统的GAN存在两个问题

Mode Collapse：

指generated data分布越来越集中。

表现为：随机迭代次数的增加，某个特定的generated data开始蔓延

Mode Dropping：

指Pdata有两群，generated data只能学到其中一群。

例如生成人脸每次只能生成一种肤色：

以上问题的原因（猜测）：Divergence选得不好

观察先不同Divergence对PG拟合Pdata的效果影响。

KL Divergence

假设Pdata的分布与图中蓝线的分布相同。使用KL divergence拟合的PG为图中绿线的效果。
表现为G很糊，不伦不类。
传统的生成算法使用最大似然估计，就会出现这种现象。

reverse KL Divergence

PG只能指使Pdata中的部分分布，导致某一些特定的x的PG特别高，而令一些x的PG特别低。
本文前几面介绍的GAN使用的divergence类似这种。因此会出现Mode Collapse和Mode Dropping的情况。
Mode Collapse可以看作是Mode Dropping的一种极端情况。

解决方法

理论上更换divergence可以解决以上问题。
事实上这种方法不太有用。

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