遞迴特徵正規化:「無混淆持續學習」的關鍵利器

背景:混淆因子與持續學習衝突

在深度學習場景中,混淆因子(confounder)會同時影響輸入特徵與預測目標,造成模型學到的關聯其實並非因果關係,進而引發偏差預測。傳統靜態學習中已有多種方法,如元資料正規化(Metadata Normalization, MDN)透過統計回歸校正中間特徵分布,但在持續學習(Continual Learning)領域,因為數據分布與混淆因子隨時間演變,模型容易忘記已學知識,並加劇混淆所帶來的負面影響。

創新:R-MDN 遞迴特徵正規化

近期發表於arXiv:2507.09031v2的「Recursive MDN」(R-MDN)提出一種通用層,可嵌入任意深度網路架構(包括 Vision Transformer),利用遞迴最小平方法(Recursive Least Squares, RLS)動態更新統計模型狀態,隨時校正特徵分布以消除混淆因子影響。R-MDN 能夠在每個訓練階段中,以線上方式調整迴歸係數,無需重訓即可兼容新舊數據分布。

實作細節與流程拆解

要將 R-MDN 整合到現有模型,可分為三個步驟:
1. 在欲校正的中間層後插入 R-MDN 模組;
2. 初始化 RLS 估計器,設定遞迴更新公式與遞減因子;
3. 每次前向計算後,以當前 batch 的特徵與混淆標籤做線性迴歸,更新內部參數。整體流程可參考官方實作範例檔案,並依照框架(PyTorch、TensorFlow)調整微服務化設計,確保訓練與推論效能。

與現有技術的比較優勢

根據論文所列靜態學習實驗結果,R-MDN 在 CIFAR10、Mini-ImageNet 等資料集上,比起單純 MDN、Batch Normalization 或其他因果校正方法,平均可降低約 8–12% 的偏差指標(bias metrics)。在持續學習場域(如 Class-IL 分段上線),更顯著地減少了 15% 以上的知識遺忘(catastrophic forgetting),且在跨群體公平性(demographic parity)測試中取得穩定提升。

最佳實踐建議與未來趨勢

部署 R-MDN 時,建議搭配以下策略:

  • 分層定位混淆來源:可先以統計檢定(如 Pearson、Spearman)評估特定批次的混淆強度,再決定插入層級;
  • 動態調整遞減因子:根據數據變動劇烈程度,調整 RLS 的忘卻因子(forgetting factor),在分布轉折點快速適應;
  • 觀測公平性指標:實測過程中同時追蹤 Precision/Recall 與公平性指標,確保模型在效能與公平間取得平衡。

未來持續學習結合生成式 AI、元學習(Meta-Learning)也將興起,R-MDN 的動態統計校正思維可延伸應用到 LLM 向量表示、自注意力機制等領域,幫助工程團隊打造更可靠、公平、可持續更新的智能服務。

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