神经网络和深度学习 - Chapter6 优化算法

神经网络和深度学习 - Chapter6 优化算法

作者: nlpming | 来源:发表于2021-09-22 17:36 被阅读0次

Batch vs Mini-batch 梯度下降算法

批梯度下降法表示，在计算网络参数的梯度时每次使用所有的训练样本。而mini-batch梯度下降法，每次计算网络参数的梯度时使用的是mini-batch个训练样本，比如batch_size设置为1000；Mini-batch梯度下降法，在处理大量的训练数据的时候会比batch梯度下降法快很多。

batch vs min-batch梯度下降法.png

Mini-batch梯度下降法.png

随机梯度下降法 vs 批梯度下降法 vs Mini-batch梯度下降法

随机梯度下降法，每次梯度下降更新网络参数使用一个训练样本；批梯度下降法使用所有的训练集；Mini-batch梯度下降法介于它们之间，使用batch size个训练样本执行一次梯度下降过程。
批梯度下降法，每次执行梯度下降更新网络参数后，损失函数每次都是下降的；但是Mini-batch梯度下降法，损失函数是波动的并不一定每次都是下降的。
batch size一般设置为2的幂次方。例如64，128，256，512等；

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指数加权平均

下图中的 $\theta_t$ 代表某一天的温度值。假设 $v_0 = 0$ ，则 $v_t$ 计算公式如下：
$v_t = \beta v_{t-1} + (1-\beta) \theta_t$
假设 $\beta$ 取值为0.9，则最终的曲线为如下图红色曲线所示；如果增大 $\beta$ 的值相当于使用了更多天的数据做移动平均，曲线变得更加平缓。减小 $\beta$ 的值，使用更少天的数据做移动平均。注意 $v_t$ 的取值约等于 $\frac{1}{1-\beta}$ 天的数据做平均的结果。

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指数加权平均的理解；
$v_{100} = 0.1 \times \theta_{100} + 0.1 \times 0.9 \times \theta_{99} + 0.1 \times 0.9^2 \times \theta_{98} + 0.1 \times 0.9^3 \times \theta_{97} + ...$

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指数加权平均，在初期的时候计算误差较大；实际呈现的是紫色的线条，为了缓解这个问题可以在 $v_t$ 的基础上乘以 $\frac{1}{1 - \beta^t}$ ；
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动量法（Momentum）

动量法采用指数加权平均，将历史的梯度做指数加权平均，使得学习速度更快。原始参数更新公式 $w := w - \alpha \times dw$ ，动量法将 $dw$ 替换成 $V_{dw}$ 用于参数更新。 $\beta$ 的取值一般为0.9；
$V_{dw} = \beta V_{dw} + (1 - \beta) dw$
$w := w - \alpha \times V_{dw}$

Momentum优化算法.png

RMSprop优化算法

RMSprop也是为了解决梯度更新过程中的摆动，使得梯度大的参数更新的更慢点，梯度小的参数更新的更快点。具体实现也是使用指数加权平均法，公式如下。其中 $\epsilon$ 是一个很小的值，防止除以0； $\beta$ 的取值一般为0.9。
$S_{dw} = \beta S_{dw} + (1 - \beta) \times dw^2$
$S_{db} = \beta S_{db} + (1 - \beta) \times db^2$
$w := w - \alpha \times \frac{dw}{\sqrt{S_{dw} + \epsilon }}$
$b := b - \alpha \times \frac{db}{\sqrt{S_{db} + \epsilon }}$

RMSprop优化算法.png

Adam优化算法

Adam优化算法将Momentum、RMSprop算法进行结合。具体公式如下；所以对于Adam优化算法有以下几个参数： $\beta_1 = 0.9, \beta_2 = 0.999, \epsilon = 10^{-8}$
$V_{dw} = \beta_1 V_{dw} + (1 - \beta_1) \times dw$
$S_{dw} = \beta_2 S_{dw} + (1 - \beta_2) \times dw^2$
$V_{dw}^{correct} = \frac{V_{ dw}}{1 - \beta_1^t}$
$S_{dw}^{correct} = \frac{S_{dw}}{1 - \beta_2^t}$
$w := w - \alpha \times \frac{V_{ dw}^{correct}}{\sqrt{ S_{dw}^{correct} + \epsilon }}$

Adam优化算法.png

学习率衰减

在刚开始训练的时候，学习率应该设置的大点。使得训练过程更快点，然后学习率需要不断的减小，使得模型趋近于局部最优值附近。
学习率衰减的方法有很多，常见的是跟epoch_num成反比，然后再加上一个衰减系数decay_rate。
另外一种常用的学习率衰减策略，就是在warmup_steps内学习率先线性递增；之后再指数衰减。

$\alpha = \frac{1}{1 + decay\_rate * epoch \_num} \times \alpha_0$
$\alpha = 0.95^{epoch\_num} \times \alpha_0$

学习率衰减.png

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带warmup的学习率衰减策略.png

深度学习中局部最优值问题

深度学习的优化问题一般是一个非凸的优化问题，所以梯度下降可能找到的是一个局部最优值。模型优化的过程中最怕碰到的是 鞍点问题，因为鞍点的导数为0，使得模型迭代的会很慢。

鞍点问题

平原问题.png

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