AI 科普丨他们在1993年就提出了Scaling Law

转自 量子位

原来，Scaling Law在32年前就被提出了！

不是2020年的OpenAI、不是2017年的百度，而是1993年的贝尔实验室。

在一篇名为《Learning Curves: Asymptotic Values and Rate of Convergence》的文章里提出一种预测方法：

训练误差和测试误差随训练规模增加，都会收敛到同一个渐近误差值，这种收敛符合幂律形式。

通过这种方法，研究人员可以预测模型在更大数据集上的表现。

这和现在大家常提的Scaling Law几乎一致：

在合理的范围内，通过简单地增加模型参数量（N）、训练数据量（D）和计算量（FLOPS，C），可以以一种可预测的、平滑的方式显著提升模型性能。

而1993年的这篇论文来头也不小，作者一共5位，其中包含了支持向量机的提出者Vladimir Vapnik和Corinna Cortes。

为省算力提出预测曲线

这篇论文的研究初衷是为了节省训练分类器（classifiers）的计算资源（果然啥时候都缺算力）。

当时的机器学习算法能实现将输入数据分配到某个类别里，比如输入一张手写数字的像素点，判断它是不是某一个数组。

为了让分类器更可靠，往往需要使用大规模数据库训练。但是研究人员并不确定分类器是否适合给定任务，因此开发高效的预测程序非常有必要。

这项研究就是提出了一种预测方法，先在中等规模的数据集上训练，然后通过提出的学习曲线建模外推，预测其在大数据集上的表现。这样就不用对分类器进行完整训练，从而节省计算资源。

它首先在几个中等规模训练集上分别计算测试误差、训练误差，然后他们发现，随着训练集的规模变大，训练误差和测试误差都会收敛到一个相同的渐近值a，这个指数a在0.5-1之间。

• a：渐近误差（最终无法消除的误差，比如任务不可实现性导致的残余错误）。

• b,c：幅度参数。

• α：收敛速率指数（通常在 0.5~1 之间）

然后变换为对数线性关系，在对数坐标下得到两条直线。

通过拟合这两条直线能得到a,b,α。

将估计出的幂律曲线外推到更大的训练集规模上（比如60000），预测分类器在完整数据上的误差。

实验结果表明，在线性分类器（布尔分类任务）中预测非常准确。

在多层神经网络（如LeNet）中，即便在任务不可实现（non-realizable）的情况下，外推结果也能很好地预测大规模训练的最终表现。

比如仅用12000样本训练，就能预测新CNN在60000样本上会优于旧CNN。

此外作者还发现，任务越困难，渐近误差越高，收敛速率越小，即学习越慢。

这个理论放在当时可以用来淘汰差的模型，将有限的计算资源放在更值得训练的模型上。

作者也是支持向量机提出者

最后不得不提一下这篇研究的几位作者。

首先来看Vladimir Vapnik，他因在统计学习理论和支持向量机方面的贡献而闻名。

他于1958年在乌兹别克国立大学获得数学硕士学位，并于1964年在莫斯科控制科学研究所获得统计学博士学位。1961年至1990年期间，他一直在该研究所工作，并担任计算机科学研究部门的负责人。

Vapnik与Alexey Chervonenkis在1960年至1990年间共同开发了Vapnik-Chervonenkis理论（也称为VC理论）。该理论是计算学习理论的一种形式，旨在从统计学角度解释学习过程。

它是统计学习理论的基石，为学习算法的泛化条件提供了理论基础，并量化了模型的复杂性（通过VC维）。VC理论在无需定义任何先验分布的情况下，为机器学习提供了一种更通用的方法，与贝叶斯理论形成了对比。

同时Vapnik也是支持向量机（SVM）的主要发明者。这是一种监督学习模型，用于数据分类和回归分析。1964年，Vapnik和Chervonenkis首次提出了原始的SVM算法。

1990年代，Vapnik加入贝尔实验室开始进行机器学习方面的深入研究。在1992年他和Bernhard Boser、Isabelle Guyon提出了通过应用“核技巧”（kernel trick）来创建非线性分类器的方法，极大地扩展了SVM的应用范围，使其能够处理非线性可分问题。

1995年Vapnik和Corinna Cortes提出了软边距的非线性SVM并将其应用于手写字符识别问题，因为性能表现出色，这篇论文引发广泛关注，也成为机器学习发展中的一块重要基石。

他撰写的《统计学理论的本质》也是机器学习领域的必读著作之一。

以及他2014年还给Facebook当过顾问。

另一位重要作者是Corinna Cortes。她现在是Google Research纽约分部的副总裁，负责广泛的理论和应用大规模机器学习问题研究。

她于1989年在哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所获得物理学硕士学位。随后，她于1993年在罗切斯特大学获得计算机科学博士学位。

在加入Google之前，Cortes在贝尔实验室工作了十多年。

2022年她被任命为ACM Fellow，以表彰她对机器学习领域的贡献。

其余几位作者分别是：L. D. Jackel、Sara A. Solla和John S. Denker。

其中John S. Denker还和LeCun在手写识别上合作过多篇论文，也都是机器学习经典大作了。

而他本人也相当全能，涉猎领域包括机器学习、系统安全、好莱坞特效、电子游戏和视频游戏等，完成了很多开创性工作。还曾在加州理工学院创建并教授“微处理器设计”课程（硅谷之所以成为硅谷，和当时美国高校中开始推行芯片设计课程有很大关系）。

甚至，他还是一个飞行员，是FFA的航空安全顾问，并写了一本对飞行原理解释透彻的行业教科书。

Denker还曾于1986-87年担任加州大学圣巴巴拉分校理论物理研究所的访问教授。 他以幽默感和“原型疯狂科学家”的形象而闻名，他的一些事迹甚至在一些电影中有所体现。

One More Thing

值得一提的是，卷积神经网络和支持向量机都诞生于贝尔实验室。它们之间过一段“分庭抗礼”的时期。

在深度学习兴起之前，CNN因为“黑盒”以及需要大规模训练，一些研究者对其持有保留态度；相比之下支持向量机的理论清晰、易于收敛到全局最优解。到底谁是正确路线？一时争论不休。

1995年，Vapnik还和当时的上司Larry Jackel以一顿豪华晚餐打赌，到2000年时，人们能不能解释清楚大型神经网络为什么在大规模训练中表现很好？

Vapnik觉得不能。2000年他赢了；随后他们又赌，再过5年结果如何？这一次Vapnik错了：

在2005年任何头脑清醒的人都不会再用和1995年时完全相同的模型了。

这场赌局，LeCun是见证人。

论文地址：
https://proceedings.neurips.cc/paper/1993/file/1aa48fc4880bb0c9b8a3bf979d3b917e-Paper.pdf

参考链接：
[1]https://x.com/gdb/status/1962594235263427045
[2]https://yorko.github.io/2022/vapnik-jackel-bet/

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