GAN的数学推导和案例应用

最新推荐文章于 2024-09-29 01:47:07 发布

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本文介绍了GAN相关知识。先阐述KL散度用于描述两概率分布差异，接着说明GAN启发自零和博弈，由生成网络G和判别网络D组成。详细讲解了GAN工作原理、目标函数，求解D最优解及反求G使两分布差异最小，最后给出GAN拟合二次函数案例，代码收敛效果好。

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本章涉及到的知识点清单：
1、数学期望的定义
2、KL散度的定义
3、零和博弈
4、GAN的工作原理
5、GAN的目标函数
6、求解D的最优解
7、反求解G使得G和D的概率分布差异最小
8、案例之GAN实现拟合二次函数


推导GAN公式之前，需要预备一些数学期望和KL散度的知识点
一、数学期望的定义
期望：在概率论中，将实验中每次可能产生的结果的概率乘以其结果的总和，反映随机变量平均取值的大小。根据其随机变量的取值范围不同，分为离散型和连续型对于连续型随机变量x，其概率密度函数为f(x)，则X的数学期望E(x)可以表示成微积分的形式

在这里插入图片描述
二、KL散度的定义
KL散度：在信息论中，用生成的概率分布Q来拟合逼近真实的概率分布P时，所产生的信息损耗，即描述两个概率分布的差异，其本身是非对称的

设x是连续型随机变量，其真实概率分布为P(x)，拟合分布概率为Q(x)，则P对Q的KL散度为
在这里插入图片描述
三、零和博弈

GAN被称为对抗式神经网络，启发自博弈论中的二人零和博弈

零和博弈：指参与博弈的双方，在严格的竞争下，一方的收益必然意味着另一方的损失，博弈过程中，双方的各自收益和损失的相加总和永远为零，双方完全不存在合作的可能。就好比下棋一样，你和对手的每一步棋都是向着自己最有利的方向走，最终只有一方赢一方输，而下棋的总成绩永远为零

显然，GAN也是由博弈双方组成，分别为生成网络G（Generator）和判别网络D（Discriminator）

四、GAN的工作原理
在这里插入图片描述
上图中，x是真实数据，Pdata(x)是x的概率分布，z是噪点数据，P(z)是z的概率分布，其工作过程为：

(1)：从噪声z进行随机抽样，传入G网络，生成新数据G(z)和其概率分布Pg(G(z))
(2)：将真实数据和G生成的新数据一起传入D网络进行真假判别，通过sigmoid函数来输出判定类别
(3)：迭代优化D和G损失函数，根据D来调整G
(4)：直到D和G达到收敛，即D无法判断G产生数据的真假性，即Pg(G(z))已经非常逼近Pdata(x)

至此，我们可以抽象看出GAN的目的，将随机噪声z通过G网络得到一个和真实数据分布Pdata(x)差不多的生成分布Pg(G(z))，这个过程就是G和D相互博弈的过程

五、GAN的目标函数

定义GAN的目标函数为V(G，D)，在博弈过程中，G希望减少V的值让自己生成的分布无法识别，而D希望增大V的值让自己可以高效的判别出数据的真假类别，则V(G，D)的表达式为
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其中E表示真实数据x和噪点数据z的数学期望

G网络是一个生成器，可以是全连接神经网络、卷积神经网络等等，通过噪点分布P(z)，一般是高斯分布，得到一个生成数据的分布Pg(x)，我们希望Pg(x)非常靠近Pdata(x)，来拟合逼近真实分布

D网络是一个判别函数，需要解决传统的二分类问题，其职责就是有效的区分真实分布和生成分布，即衡量Pg(x)和Pdata(x)之间的差距，并通过反复的迭代训练

六、求解D的最优解

从目标函数出发，由于V是连续的，我们将V写成微积分的形式来表示期望
在这里插入图片描述
设G(z)生成的数据是x，分别求出噪点z和噪点的微分dz表达式

带入z和dz，可以得到

我们定义Pg(x)表示z的生成分布，则

带入目标函数可得

现在要求V(D，G)关于D的最大值，则固定G来求D的偏导数

七、反求解G使得G和D的概率分布差异最小
从D(x)的最优解D*(X)的表达式可以看到，我们期望当G产生出来的拟合分布和真实分布一致时，即
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在这个条件下，D*(x)=1/2，即此时D网络已经无法直接分辨出G产生出来的数据的真假性了

那么当D满足最优解后，此时的G的解是什么呢？我们只需要带入D*(x)反过来求解G即可
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我们对上述积分表达式进行等效处理，在log里面的分式上，分子分母同时除以2（分式不变原理），然后保持分母不变，将分子的1/2利用对数的乘法原理提到外面，则上式可以等效变形为

我们引入连续函数的KL散度将上式积分式整理成散度表达式
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根据KL散度的定义，当拟合分布Pg(x)完全等于真实分布Pdata(x)时，KL=0，所以G网络的最小值是-log4