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AI编辑：我是小将

本文作者：谢杨易

1 什么是meta learning

优化目标和loss     一般的机器学习任务是，通过训练数据得到一个模型，然后在测试数据上进行验证。一般来说我们仅关注模型在该任务上的表现。而meta learning则探讨解决另一个问题，就是我们能否通过学习不同的任务，从而让机器学会如何去学习呢？也就是learn to learn。我们关注的不再是模型在某个任务上的表现，而是模型在多个任务上学习的能力。

试想一下机器学习了100个任务，他在第101个任务上一般就可以学的更好。比如机器学习了图像分类、语音识别、推荐排序等任务后，在文本分类上，它就可以因为之前学到的东西，而学的更好。meta learning就是解决这个问题，如何让机器去学习。

一般的机器学习任务，我们是需要学习一个模型f，由输入x得到输出y。而meta learning，则是要学习一个F，用它来学习各种任务的f。如下图

2 为什么需要meta learning

m5 优化目标和loss5 优化目标和losseta learning的优势主要有

• 让学习更加有效率。我们通过多个task的学习，使得模型学习其他task时更加容易。

• 样本数量比较少的任务上，更加需要有效率的学习，从而提升准确率和收敛速度。meta learning是few shot learning的一个比较好的解决方案

3 meta learning可以学到什么

通过meta learning，我们可以学到

• 模型参数 model parameters。包括模型的初始化参数，embedding，特征表达等

• 模型架构。可以通过network architecture search（NAS）得到模型的架构，比如几层网络，每层内部如何设计等

• 模型超参数。比如learning rate，drop out rate，optimizer等。这个是AutoML的范畴

• 算法本身，因为不一定是一个网络模型。

4 常用数据集

meta learning需要训练多个task，故一般每个task样本不会很多，其数据集本身也是few shot。常用的数据集datasets如下。

Omniglot

它由很多种不同语言构成，包括1623种字符，每个字符20个样本。所以也算是few shot learning了。

miniImageNet

ImageNet的few shot版本

CUB

Caltech-UCSD Birds。各种鸟类的图片，也是few shot。

5 优化目标和loss

如何评价meta learning的好坏呢，也就是我们的优化目标是什么呢。一般来说，meta learning需要多个机器学习task作为数据集，其中一部分task作为training task，另一部分作为testing task。training task和testing task中都包括训练数据和测试数据。

我们先通过task1学习到模型f1，并得到损失函数l1。然后再task2上学习模型f2，并得到l2。以此类推，得到所有task上的损失函数之和，即为meta learning的损失函数。如下

我们的目标就是降低这个损失函数 L(F)。

6 MAML

ICML 2017

Model-Agnostic Meta-Learning for Fast Adaptation of Deep Networks。

6.1 用来解决什么问题

MAML focus在学习模型初始化参数上，这和pretrain models的目标是相同的。pretrain models通过有监督或自监督方式，先在数据集充足的任务A上训练模型，然后利用该模型的参数来初始化数据量比较少的任务B。通过迁移学习的方式，让数据量比较少的任务，也能够train起来。meta learning和pretrain models虽然都可以帮助模型参数初始化，但二者差别还是很大的

• pretrain model的任务A，一般来说数据量比较充足，否则自己都没法train起来，也就无法得到一个不错的初始化参数

• pretrain model的初始化参数，重在当前任务A上表现好，可能在任务B上不一定好。meta learning则利用初始化参数，在各任务上继续训练后，效果都不错。它重在模型的潜力

6.2 loss和优化目标

MAML loss function如下

所有task的testing set上的loss之和，即为MAML的Loss，我们需要最小化这个loss。通过gradient descent的方法就可以实现。

6.3 创新点

MAML的创新点在于，训练模型时，在单个任务task中，模型参数只更新一次。李宏毅老师认为主要原因是

• MAML希望模型具有单个task上，参数只更新一次，就可以得到不错初始化参数的能力

• meta learning的数据集一般都是few shot的，否则很多task，训练耗时会很高。而few shot场景下，一般模型参数也更新不了几次

• 虽然在训练模型时只更新一次初始化参数，但在task test时，是可以更新多次参数，让模型充分训练的

• meta learning一般会包括很多个task，单个task上只更新一次，可以保证学习效率。

6.4 如何更新参数

MAML更新参数的过程如下所示

• 初始化meta learning参数φ0

• 由φ0梯度下降一次，更新得到θm

• 在task m上更新一次参数

• 通过第二次θ的方向，确定φ的更新方向，得到φ1。

而对于model pretrain，其φ和θ的更新始终保持一致。

7 Reptile

openAI，2018，On First-Order Meta-Learning Algorithms

7.1 模型特点

Reptile和MAML一样，也是focus在模型参数初始化上。故loss function也基本相同。不同之处是，它结合了pretrain model和MAML的特点，在模型参数更新上有所不同。Reptile也是先初始化参数φ0，然后采样出任务m，更新多次（而不是MAML的单次），得到一个不错的参数θm。利用θm的方向来更新φ0到φ1。同样的方法更新到φ2

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