분포 거리 측정 (Part 3) - JSD와 Wasserstein Distance
GAN 학습이 어려운 이유와 해결책. JSD의 gradient vanishing 문제부터 Wasserstein Distance, WGAN까지의 발전 과정.
들어가며
Part 1에서 KL Divergence의 정보이론적 의미를 살펴봤습니다. 하지만 KL Divergence에는 실용적인 한계가 있습니다. 비대칭적이고, 특정 상황에서 무한대로 발산합니다. 이번 글에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 **Jensen-Shannon Divergence(JSD)**와, GAN 학습에서 JSD의 치명적인 문제를 해결한 Wasserstein Distance를 다룹니다.
이 여정을 따라가다 보면 GAN이 왜 학습하기 어려운지, 그리고 WGAN이 어떻게 이를 해결했는지 깊이 이해할 수 있습니다.
1. KL Divergence의 한계 복습
세 가지 문제점
1. 비대칭성
"거리"라고 부르기엔 직관에 어긋납니다. 서울에서 부산까지 거리와 부산에서 서울까지 거리가 다르다면 이상하겠죠.
2. 무한대 발산
Q(x) = 0인 지점에서 P(x) > 0이면 KL Divergence는 무한대로 발산합니다.
P = [0.5, 0.5, 0, 0 ]
Q = [0, 0, 0.5, 0.5]
D_KL(P || Q) = 0.5 × log(0.5/0) + ... = ∞
3. 삼각부등식 불만족
거리 함수(metric)의 기본 조건 인 삼각부등식을 만족하지 않습니다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 JSD가 등장합니다.
2. Jensen-Shannon Divergence (JSD)
정의
JSD는 KL Divergence를 대칭화한 버전입니다.
여기서 M은 두 분포의 평균입니다:
직관적 이해
P ─────┐
├──→ M = (P+Q)/2
Q ─────┘
│
┌─────────────┼─────────────┐
↓ ↓ ↓
D_KL(P||M) M D_KL(Q||M)
│ │
└───────────┬───────────────┘
↓
JSD = 평균
P와 Q를 직접 비교하는 대신, 둘의 중간 지점 M을 기준으로 각각의 거리를 측정합니다.
왜 안정적인가?
M은 항상 P와 Q의 support를 모두 포함합니다. 따라서 한쪽이 0이어도 M은 0이 아닙니다.
P = [0.5, 0.5, 0, 0 ]
Q = [0, 0, 0.5, 0.5]
M = [0.25, 0.25, 0.25, 0.25] ← 모든 위치에서 > 0
D_KL(P || Q) = log(0.5 / 0) = ∞ ← 발산!
D_KL(P || M) = log(0.5 / 0.25) = 1 ← 유한!
JSD vs KL 비교
┌────────────────┬─────────────────┬─────────────────┐
│ Property │ KL Divergence │ JS Divergence │
├────────────────┼─────────────────┼─────────────────┤
│ Symmetric │ ✗ │ ✓ │
│ Range │ [0, ∞) │ [0, log2] │
│ Zero prob │ diverge (∞) │ stable │
│ Metric │ ✗ │ √JSD is ✓ │
│ Compute cost │ Low │ Low │
└────────────────┴─────────────────┴─────────────────┘
| 속성 | KL Divergence | JS Divergence |
|---|---|---|
| 대칭성 | ✗ | ✓ |
| 범위 | [0, ∞) | [0, log2] |
| Zero 처리 | 발산 (∞) | 안정적 |
| Metric | ✗ | √JSD는 ✓ |
| 계산 비용 | 낮음 | 낮음 |
구현
function jsd(P, Q):
M = 0.5 * (P + Q)
kl_pm = 0
kl_qm = 0
for each x:
if P(x) > 0:
kl_pm += P(x) * log(P(x) / M(x))
if Q(x) > 0:
kl_qm += Q(x) * log(Q(x) / M(x))
return 0.5 * (kl_pm + kl_qm)
3. Original GAN과 JSD의 관계
GAN의 목적함수
2014년 Goodfellow가 제안한 GAN의 minimax 목적함수는 다음과 같습니다:
- Discriminator D: 진짜 데이터에는 높은 점수, 가짜 데이터에는 낮은 점수
- Generator G: D를 속여서 가짜 데이터에 높은 점수를 받도록
JSD와의 연결
수학적으로 분석하면, 최적의 Discriminator 하에서 Generator의 손실은:
여기서 는 Generator가 만드는 분포입니다.
의미: Generator는 사실상 JSD를 최소화하도록 학습됩니다. 가 되면 JSD = 0이 되어 손실이 최소화됩니다.
4. 문제: Gradient Vanishing
JSD의 치명적 약점
JSD는 bounded metric입니다. 값이 0과 log(2) 사이로 제한됩니다. 이것이 문제가 됩니다.
두 분포의 support가 겹치지 않을 때:
p_data (실제 데이터 분포):
∩
_| |_
──────────────────────────
A B
(gap)
p_g (생성 데이터 분포):
∩
_| |_
──────────────────────────────
C D
이 경우 JSD 값은:
문제는 p_g를 어디로 움직여도 JSD 값이 동일하다는 점입니다. support가 겹치지 않는 한, 가까이 가든 멀리 가든 JSD = log(2)입니다.
Gradient가 사라지는 이유
p_g를 p_data 쪽으로 이동시켜도:
이동 전: JSD = 0.693
p_data: ∩ p_g: ∩
|←─ 10 ─→|
이동 후: JSD = 0.693 (여전히 안 겹침)
p_data: ∩ p_g: ∩
|←─ 5 ─→|
∂JSD/∂θ_G ≈ 0 (변화가 없으니 gradient도 없음)
Generator는 어느 방향으로 가야 할지 정보를 받지 못합니다.
고차원에서 더 심각
실제 이미지는 수만 차원의 공간에 존재합니다. 이 공간에서 두 분포가 겹칠 확률은 극히 낮습니다.
2D 공간: 두 영역이 겹치기 비교적 쉬움
┌───┐
│ P │
└─┬─┘
│ (겹침 가능)
┌─┴─┐
│ Q │
└───┘
1000D 공간: 각 차원에서 모두 겹쳐야 함
P(전체 겹침) ≈ P(한 차원 겹침)^1000 ≈ 0
학습 초기에 Generator가 만드는 분포는 실제 데이터 분포와 거의 확실히 겹치지 않습니다. 따라서 학습 시작부터 gradient vanishing이 발생합니다.
Mode Collapse
Gradient vanishing의 또 다른 결과는 mode collapse입니다.
p_data (다양한 mode):
∩ ∩ ∩
_| |_ _| |_ _| |_
강아지 고양이 새
p_g (mode collapse):
∩
_| |_
고양이만 생성
Generator가 "고양이만 그리면 D를 50%는 속일 수 있네"
→ 다양성 포기, 한 mode에만 집중
5. Wasserstein Distance의 등장
새로운 관점: 흙 옮기기
Wasserstein Distance는 **Earth Mover's Distance(EMD)**라고도 불립니다. 직관적으로 "한 분포를 다른 분포로 바꾸는 데 필요한 최소 작업량"입니다.
분포 P (흙더미): 분포 Q (목표 형태):
■■■ ■■■
■■■■■ ■■■■■
───────── ─────────
위치 A 위치 B
Wasserstein = (옮길 흙의 양) × (최소 이동 거리)
수학적 정의
- : P와 Q를 marginal로 갖는 모든 joint distribution (transport plan)
- : 어떤 점에서 어떤 점으로 얼마나 옮길지를 나타내는 계획
- : 가능한 모든 계획 중 최소 비용
왜 Wasserstein인가?
핵심: support가 겹치지 않아도 의미 있는 거리를 제공합니다.
p_data (위치 0): ∩
|
|
p_g (위치 10): | ∩
|←────── 10 ─────→|
JSD: log(2) = 0.693 (상수)
→ gradient ≈ 0
Wasserstein: 10 (실제 거리)
→ p_g를 왼쪽으로 옮기면 W 감소
→ gradient 존재!
JSD vs Wasserstein 비교
시나리오: p_g를 p_data 방향으로 1만큼 이동
[JSD]
이동 전: JSD = 0.693
이동 후: JSD = 0.693 (안 겹치면 동일)
변화량: 0 → gradient ≈ 0
[Wasserstein]
이동 전: W = 10
이동 후: W = 9
변화량: -1 → gradient 존재!
Wasserstein은 두 분포가 겹치지 않아도 "얼마나 떨어져 있는지"를 알려줍니다. Generator는 이 정보를 바탕으로 올바른 방향으로 학습할 수 있습니다.
6. WGAN: Wasserstein GAN
Kantorovich-Rubinstein Duality
Wasserstein distance를 직접 계산하는 것은 어렵습니다. 다행히 dual form이 존재합니다:
- : 1-Lipschitz 함수 (기울기가 1 이하인 함수)
- : 조건을 만족하는 모든 f 중 최대값
Lipschitz 조건이란?
함수 f가 K-Lipschitz라는 것은:
즉, 출력의 변화가 입력의 변화보다 K배 이상 클 수 없습니다. 1-Lipschitz는 기울기가 최대 1인 함수입니다.
1-Lipschitz 함수: Non-Lipschitz 함수:
/ │
/ │
/ 기울기 ≤ 1 │ 급격한 변화
/ /
/ /
WGAN 학습 알고리즘
# WGAN Training
for each iteration:
# Step 1: Critic 업데이트 (여러 번)
for _ in range(n_critic):
real_samples = sample_from_data()
fake_samples = generator(random_noise())
# Critic은 Wasserstein distance를 추정
critic_loss = mean(critic(fake_samples)) - mean(critic(real_samples))
update critic to minimize critic_loss
# Lipschitz 제약 적용
clip_weights(critic, min=-c, max=c)
# Step 2: Generator 업데이트
fake_samples = generator(random_noise())
# Generator는 critic(fake)를 최대화 = W를 최소화
generator_loss = -mean(critic(fake_samples))
update generator to minimize generator_loss
핵심 차이점: Discriminator vs Critic
| Original GAN | WGAN |
|---|---|
| Discriminator | Critic |
| 확률 출력 (0~1) | 점수 출력 (unbounded) |
| Sigmoid 활성화 | 활성화 없음 |
| Binary cross-entropy | Wasserstein distance |
7. Lipschitz 제약 방법들
방법 1: Weight Clipping (Original WGAN)
가장 단순한 방법으로, 가중치를 일정 범위로 잘라냅니다.
function clip_weights(model, c):
for each weight w in model:
w = clamp(w, -c, c)
문제점:
- 모델의 capacity를 심하게 제한
- c 값에 민감
- 학습 불안정
방법 2: Gradient Penalty (WGAN-GP)
Lipschitz 조건을 직접 강제하는 대신, gradient norm이 1에 가깝도록 페널티를 줍니다.
여기서 는 real과 fake 사이의 interpolation입니다.
function gradient_penalty(critic, real, fake):
# real과 fake 사이의 랜덤 interpolation
alpha = random(0, 1)
interpolated = alpha * real + (1 - alpha) * fake
# critic의 gradient 계산
critic_output = critic(interpolated)
gradients = compute_gradient(critic_output, interpolated)
# gradient norm이 1에서 벗어나면 페널티
gradient_norm = norm(gradients)
penalty = (gradient_norm - 1)^2
return mean(penalty)
# WGAN-GP Loss
critic_loss = mean(critic(fake)) - mean(critic(real)) + lambda * gradient_penalty
방법 3: Spectral Normalization
가중치 행렬의 spectral norm(최대 singular value)으로 나눠서 정규화합니다.
여기서 는 W의 최대 singular value입니다.
┌──────────────────┬──────────────────┬──────────────────┐
│ Weight Clip │ Gradient Pen │ Spectral Norm │
├──────────────────┼──────────────────┼──────────────────┤
│ Simple impl │ Stable train │ Efficient │
│ Limit capacity │ High cost │ Low overhead │
│ Unstable │ Hyperparam λ │ Widely used │
└──────────────────┴──────────────────┴──────────────────┘
- Weight Clip: 구현 간단, Capacity 제한, 학습 불안정
- Gradient Penalty: 안정적 학습, 계산 비용 높음, 하이퍼파라미터 λ
- Spectral Norm: 효율적, 추가 비용 낮음, 널리 사용됨
8. GAN 발전의 역사
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ GAN (2014) │
│ │ │
│ │ Issue: JSD → gradient=0 if no support overlap │
│ ↓ │
│ WGAN (2017) │
│ │ │
│ │ Fix: Wasserstein → meaningful gradient always │
│ │ Issue: Weight clipping → unstable training │
│ ↓ │
│ WGAN-GP (2017) │
│ │ │
│ │ Fix: Gradient penalty → stable Lipschitz │
│ ↓ │
│ Spectral Normalization (2018) │
│ │ │
│ │ Improve: Efficient Lipschitz constraint │
│ ↓ │
│ Progressive GAN, StyleGAN, StyleGAN2, ... │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
- GAN: JSD 기반 → support가 안 겹치면 gradient = 0
- WGAN: Wasserstein 도입으로 항상 의미있는 gradient 제공, 하지만 weight clipping으로 학습 불안정
- WGAN-GP: Gradient penalty로 안정적 Lipschitz 제약 달성
- Spectral Norm: 더 효율적인 Lipschitz 제약
9. 정리
핵심 비교
┌─────────────────┬───────────────┬───────────────┬───────────────┐
│ │ KL │ JSD │ Wasserstein │
├─────────────────┼───────────────┼───────────────┼───────────────┤
│ Symmetric │ ✗ │ ✓ │ ✓ │
│ Bounded │ ✗ │ ✓ │ ✗ │
│ No overlap │ ∞ │ constant │ meaningful │
│ Gradient │ medium │ poor* │ good │
│ Compute cost │ low │ low │ high │
└─────────────────┴───────────────┴───────────────┴───────────────┘
* when supports don't overlap
| 속성 | KL | JSD | Wasserstein |
|---|---|---|---|
| 대칭성 | ✗ | ✓ | ✓ |
| 범위 제한 | ✗ | ✓ | ✗ |
| Support 안겹침 | ∞ | 상수 | 유의미한 값 |
| Gradient 품질 | 보통 | 나쁨* | 좋음 |
| 계산 비용 | 낮음 | 낮음 | 높음 |
* support가 안 겹칠 때
언제 무엇을 사용하는가
- KL Divergence: VAE loss, Knowledge Distillation 등 gradient 특성 활용 시
- JSD: 두 분포의 대칭적 비교, drift detection 등
- Wasserstein: GAN 학습, 분포가 많이 다를 수 있는 상황
다음 편 예고
Part 4에서는 이러한 거리 측정 방법들을 실제 시스템에 적용하는 방법을 다룹니다. Drift Detection, Anomaly Detection, Model Monitoring 등 실무에서 바로 활용할 수 있는 패턴들을 살펴보겠습니다.
참고 자료
- Goodfellow, I. et al. "Generative Adversarial Networks" (2014)
- Arjovsky, M. et al. "Wasserstein GAN" (2017)
- Gulrajani, I. et al. "Improved Training of Wasserstein GANs" (2017)
- Miyato, T. et al. "Spectral Normalization for GANs" (2018)