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论文笔记：Gradient Episodic Memory for Continual Learning

article 2024/11/19 16:58:19

1. Contribution

独立且同分布的（iid假设），意思是：每张图片都是随机挑选的，彼此独立，没有关联

非独立同分布的数据（Non-iid input data）：监督学习通过多次重复数据来让模型记住东西（不断地让模型重复学习一些图片：苹果、香蕉、橘子等很多水果），而人类学习是通过一次性有顺序地学习。（比如教一个小朋友时，可能不会重复展示同样的苹果或香蕉图片，你是按顺序给他看新的例子。小朋友也不会记住每一张图片，只能记住一部分。更重要的是，现实中的学习任务会不断变化——今天你可能在教水果，明天可能就开始教动物。）
灾难性遗忘（Catastrophic forgetting）：如果直接用监督学习的方法去解决类似人类的学习任务（比如教不同的东西、不断变化的任务），那问题就来了。因为监督学习依赖于iid假设，认为所有数据都是来自同一分布，并且可以重复多次学习。但是在人类学习的场景中，iid假设不成立，数据不是独立的，也不是来自相同的任务分布。这样一来，监督学习的模型可能会因为新数据而“遗忘”旧的数据和知识，这就是所谓的“灾难性遗忘”。
知识迁移：当连续的任务相关时，存在迁移学习的机会，这可以转化为更快地学习新任务以及在旧任务上的性能提升。

在训练时，仅以三元组 (xi, ti, yi) 的形式向模型提供一个示例，model 永远不会两次经历相同的示例，并且任务按顺序流式传输。不需要对任务强加任何顺序，因为未来的任务可能与过去的任务同时发生。

每个数据样本由三部分组成：

x：特征向量，比如一张图片。
t：任务描述符，告诉我们当前任务是什么（例如“识别水果”或者“识别动物”）。
y：目标向量，即标签，表示图片的具体内容（如“苹果”或者“猫”）。
模型的目标是学会如何根据给定的图片 x 和任务描述符 t，预测出正确的标签 y。

“局部iid”是指在某个特定的任务中（比如在任务 t 中），数据是独立同分布（iid）的，也就是说，在某个任务的学习阶段内，数据可以随机地、不相关地抽取出来。简单来说，局部iid意味着：

虽然在每个任务中，数据是随机独立的（iid），但在不同任务之间，数据不是随机的。例如，模型可能会先连续看到许多水果图片，然后才切换到动物识别任务，这使得任务间数据的顺序不是随机的。

目标是学习一个预测模型 f，这个模型可以根据任意的图片 x 和任务描述符 t，预测出图片的标签 y。关键是，模型不仅需要识别当前任务的数据（如正在学习中的任务），还要记住以前学过的任务，甚至能够处理未来可能遇到的新任务。

例如：

如果模型已经学过了识别水果（任务 t1）和识别动物（任务 t2），那么即使任务结束后，模型仍然能够根据给定的任务描述符 t1 识别苹果，或者根据 t2 识别猫。
而且，模型还应该能处理未来可能出现的新任务。

Average Accuracy：这个指标是模型在所有任务上的平均表现。你教完机器人识别水果和动物后，测试它在所有任务上的表现，看它识别每个任务（如水果或动物）的正确率，然后取平均值。
Backward transfer (BWT)：这是评估模型在学习新任务后，对之前任务表现的影响。具体来说，如果学完了任务2，测试它在任务1上的表现，看有没有提高或下降。
Forward transfer (FWT)：这是评估模型在学习新任务时，之前学到的任务对新任务的影响。具体来说，在学任务2时，看看任务1是否帮助了任务2的学习。

Ri,j 表示模型在学完任务 ti 后，在任务 tj 上的测试准确率。

在这里插入图片描述

记忆分配策略： GEM 有一个总的记忆空间 M，用于存储多个任务的样本。如果任务总数 T 是已知的，那么每个任务可以分配 m = M / T 个记忆位置。如果任务数量不确定，GEM 可以随着新任务的到来动态减少每个任务的分配空间。
损失函数和约束条件：每当模型学习一个新任务时，GEM 会通过一个损失函数来调整模型的参数。然而，与传统方法不同的是，GEM 在更新参数时会限制过去任务的损失不增加，即：模型在新任务上的学习不能损害它对旧任务的表现。
使用梯度约束来防止遗忘：GEM 的一个核心思想是通过梯度投影来避免遗忘。当模型更新参数时，它会计算一个梯度。如果这个梯度方向会导致旧任务的损失增加，GEM 就会通过调整这个梯度方向，保证不会增加旧任务的损失。
解决梯度约束问题：如果梯度违反了约束，GEM 会通过求解一个二次规划问题（Quadratic Programming来找到一个新的梯度，使得在满足约束的前提下尽可能接近原始梯度。

训练过程