softmax-优化方法

softmax计算成本高的根源在于softmax最后一步需要做归一化操作，这个随着vocabulary大小增加，计算成本越来越高。

下面我们稍微具体的描述下这个问题，

我们目标现在就是怎么能够近似的计算

下面是几种优化方法，先介绍第一大类 基于采样的方法。

Sampling-based Softmax Approximations

基于采样的方法，目的是近似归一化因子

H大小是不变的，变化的是w，通过采样，有效的减少w大小。

此处 Negative samples 采样方法是根据 单词的频率来，这个做的一个依据是：

假设我们最后输出是 10，20，30，那对应的 就是 e10, e20, e30， 而 e30≈10^13，而e20 ≈ 5*10^9，此处e30是远大于其他值的，于是我们通过采样最大的几个值，基本上就可以近似估计归一化因子了。

Importance Sampling

关于重要性采样可以查看 重要性采样（Importance Sampling）

我们从一个简单分布Q中采样出xi，然后计算权重 e^s/Q，方法如下：

当N小的时候，这是一个有偏估计。

下面是一个详细的推导

Noise Contrastive Estimation

详细可以看我之前写的文章 Noise Contrastive Estimation

其主要思想通过引入噪音数据点，对每个数据进行二分类预测，通过最大化预测其是噪音点还是实际数据点概率，从而保证softmax的最大化。

更通俗一点，就是我们通过最大化二分类概率，保证了

归一化因子z==1.

下面是真假数据的后验概率：

Simple Negative Sampling

这是在word2vec中采用的采样方法，也就是在NCE中我们令 k = |V|，并且 q(y) 为均匀分布，就得到了 kq(y) == 1

损失函数是

所以如果我们做采样的时候，q(y)不是均匀分布，而且也没有采样 k = |V| 个数的话，其实我们是保证不归一化因此 z(h) == 1的，也即训练出来的模型不是一个严格的概率分布。

下面我们来看 negative-sampling 方法的实现 wordemb-skip-ns.py

下面我们开始另一大类的优化方法：Structure-based Softmax Approximations。

主要分为下面3大类

Class-based Softmax

先预测类别，再预测word

Hierarchical Softmax

二分树，由原先的预测V，改为了根号V。

图片来源：Hugo Lachorelle's Youtube lectures

Binary Code Prediction

直接将单词进行二进制编码。为什么这种做法有效呢？

参考：

http://ruder.io/word-embeddings-softmax/

word2vec Explained: Deriving Mikolov et al.’s Negative-Sampling Word-Embedding Method

Cmu 第5课课件

Neural Machine Translation via Binary Code Prediction