神经网络防“失忆“秘籍：弹性权重固化如何让AI学会“温故知新“

神经网络防"失忆"秘籍：弹性权重固化如何让AI学会"温故知新"

"就像学霸给重点笔记贴荧光标签，EWC给重要神经网络参数上锁"

一、核心公式对比表

公式名称	数学表达式	通俗解释	类比场景
EWC主公式	L t o t a l = L n e w + λ 2 ∑ i F i ( θ i − θ o l d , i ) 2 L_{total} = L_{new} + \frac{\lambda}{2} \sum_i F_i (\theta_i - \theta_{old,i})^2 Ltotal=Lnew+2λ∑iFi(θi−θold,i)2	给重要知识上锁	给重点笔记贴荧光标签
贝叶斯推导式	log ⁡ p ( θ ∣ D ) ∝ log ⁡ p ( D B ∣ θ ) + log ⁡ p ( θ ∣ D A ) \log p(\theta\|D) \propto \log p(D_B\|\theta) + \log p(\theta\|D_A) logp(θ∣D)∝logp(DB∣θ)+logp(θ∣DA)	新旧知识平衡法则	考试前既复习新题也温习旧题
费舍尔信息矩阵	F i = E [ ∇ θ 2 log ⁡ p ( y ∣ x , θ ) ] F_i = \mathbb{E}[\nabla_\theta^2 \log p(y\|x,\theta)] Fi=E[∇θ2logp(y∣x,θ)]	知识重要度评分卡	根据笔记划重点的频率标记

二、公式详解与类比解释

公式1：EWC核心保护机制

L t o t a l = L n e w ( θ ) ⏟ 新任务 + λ 2 ∑ i F i ( θ i − θ o l d , i ) 2 ⏟ 旧知识防护罩 L_{total} = \underbrace{L_{new}(\theta)}{\text{新任务}} + \underbrace{\frac{\lambda}{2} \sum_i F_i (\theta_i - \theta{old,i})^2}_{\text{旧知识防护罩}} Ltotal=新任务 Lnew(θ)+旧知识防护罩 2λi∑Fi(θi−θold,i)2

参数	数学符号	类比解释	作用原理
旧任务参数	θ o l d \theta_{old} θold	学霸的旧笔记本	知识基准锚点
重要性系数	F i F_i Fi	荧光标签密度	参数重要性量化
约束强度	λ \lambda λ	胶水粘性系数	平衡新旧知识权重

案例：在图像分类任务中，给识别"猫耳朵"的关键神经元增加3倍保护权重

公式2：费舍尔信息矩阵计算

F i = 1 N ∑ x , y ( ∂ log ⁡ p ( y ∥ x , θ ) ∂ θ i ) 2 F_i = \frac{1}{N} \sum_{x,y} \left( \frac{\partial \log p(y\|x,\theta)}{\partial \theta_i} \right)^2 Fi=N1x,y∑(∂θi∂logp(y∥x,θ))2
变量解读：

x x x：输入数据（学生的练习题）
y y y：标签答案（标准答案）
log ⁡ p ( y ∥ x , θ ) \log p(y\|x,\theta) logp(y∥x,θ)：答案正确率评分

类比解释：

如同统计学生复习时翻看某页笔记的次数，翻看越频繁的页面（参数）获得越多荧光标签（高F值）

三、公式体系演进（关键推导步骤）

1. 贝叶斯推导路径

初始目标 ：
max ⁡ θ log ⁡ p ( θ ∥ D A , D B ) \max_\theta \log p(\theta\|D_A, D_B) θmaxlogp(θ∥DA,DB)
任务分解 ：
∝ log ⁡ p ( D B ∥ θ ) + log ⁡ p ( θ ∥ D A ) \propto \log p(D_B\|\theta) + \log p(\theta\|D_A) ∝logp(DB∥θ)+logp(θ∥DA)
拉普拉斯近似 ：
log ⁡ p ( θ ∥ D A ) ≈ − 1 2 ∑ i F i ( θ i − θ o l d , i ) 2 \log p(\theta\|D_A) \approx -\frac{1}{2} \sum_i F_i (\theta_i - \theta_{old,i})^2 logp(θ∥DA)≈−21i∑Fi(θi−θold,i)2

2. 方法对比

方法	核心公式	优势	局限
L2正则	L = L n e w + λ ∣ θ − θ o l d ∣ 2 L = L_{new} + \lambda \|\theta - \theta_{old}\|^2 L=Lnew+λ∣θ−θold∣2	简单易实现	无差别保护所有参数
EWC	L = L n e w + λ 2 ∑ F i ( θ i − θ o l d , i ) 2 L = L_{new} + \frac{\lambda}{2} \sum F_i(\theta_i - \theta_{old,i})^2 L=Lnew+2λ∑Fi(θi−θold,i)2	智能参数保护	需计算二阶导数
LwF	L = L n e w + α D K L ( p o l d ∣ p n e w ) L = L_{new} + \alpha D_{KL}(p_{old}\|p_{new}) L=Lnew+αDKL(pold∣pnew)	保持输出分布稳定	依赖旧模型推理

四、代码实战：MNIST/FashionMNIST增量学习

python 复制代码

import torch
import torch.nn as nn

class EWC_CNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.conv = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(1,32,3), 
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(2))
        self.fc = nn.Linear(32*13*13,10)

    def forward(self, x):
        x = self.conv(x)
        return self.fc(x.view(x.size(0),-1))

# EWC核心实现
class EWC_Regularizer:
    def __init__(self, model, dataloader, device):
        self.model = model
        self.params = {n:p.detach().clone() for n,p in model.named_parameters()}  # 旧参数快照
        self.fisher = {}
        
        # 计算Fisher信息矩阵
        for batch in dataloader:
            inputs, labels = batch
            outputs = model(inputs.to(device))
            loss = nn.CrossEntropyLoss()(outputs, labels.to(device))
            loss.backward()
            
            for n,p in model.named_parameters():
                if p.grad is not None:
                    self.fisher[n] = p.grad.data.pow(2).mean()  # 梯度平方均值

    def penalty(self, current_params):
        loss = 0
        for n,p in current_params.items():
            loss += (self.fisher[n] * (p - self.params[n]).pow(2)).sum()
        return loss

# 训练流程示例
device = torch.device('cuda')
model = EWC_CNN().to(device)
old_task_loader = ...  # 旧任务数据加载器
new_task_loader = ...  # 新任务数据加载器

# 第一阶段：训练旧任务
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters())
for epoch in range(10):
    for batch in old_task_loader:
        # 常规训练流程...
        
# 第二阶段：计算EWC约束
ewc = EWC_Regularizer(model, old_task_loader, device)

# 第三阶段：增量学习新任务
for epoch in range(10):
    for batch in new_task_loader:
        inputs, labels = batch
        outputs = model(inputs.to(device))
        ce_loss = nn.CrossEntropyLoss()(outputs, labels.to(device))
        ewc_loss = ewc.penalty(dict(model.named_parameters()))
        total_loss = ce_loss + 1000 * ewc_loss  # λ=1000
        
        optimizer.zero_grad()
        total_loss.backward()
        optimizer.step()

五、可视化解析

1. 参数空间分布

python 复制代码

import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

# 生成模拟数据
theta_old = np.random.normal(0,1,1000)  # 旧任务参数分布
theta_new = np.random.normal(3,1,1000)  # 新任务参数分布
theta_ewc = 0.3*theta_old + 0.7*theta_new  # EWC约束参数

# 可视化
plt.figure(figsize=(12,6))
sns.kdeplot(theta_old, label="Old Task", color='grey', linewidth=3)
sns.kdeplot(theta_new, label="New Task", color='gold', linewidth=3)
sns.kdeplot(theta_ewc, label="EWC Compromise", color='red', linestyle='--')
plt.title("Parameter Space Distribution")
plt.xlabel("Parameter Value"), plt.ylabel("Density")
plt.legend()
plt.show()

六、技术演进路线

阶段	代表方法	关键突破	局限
1.0	参数冻结	物理隔离旧知识	丧失模型扩展能力
2.0	L2正则	简单约束参数漂移	无差别保护所有参数
3.0	EWC	智能参数重要性加权	计算二阶导数开销大
4.0	动态网络	独立适配器模块	模型体积膨胀