深度学习优化技巧

导语

在深度学习中，除了上一章所涉及到的反向传播这样的大方向，还有一些其他更细化的可优化的地方，例如如何选取最优初值，权重应该如何分配等，书上在本章对常用的优化方法和实现进行了介绍。

参数更新

神经网络学习的目的是找到使得损失函数尽量小的参数，这个过程被称为最优化，书上的前几章提到的SGD就属于这一种，但实际上，可以进行优化的方法不止SGD这一种，许多方法比SGD更加高效。

SGD

SGD在书上先前的章节已经详细论述过，这里不再赘述，只给出式子：$W\leftarrow W-\eta \frac{\partial L}{\partial W}$，W为权重，η为学习率，所得偏导为梯度方向。

SGD的缺点也很明显，由于SGD关注的永远是极小值，所以梯度下降的方向往往不一定是最小值的方向，以书上的说法，如果函数形状非均向，例如延伸状，搜索的路径就会低效，下面的几个方法都以不同的角度尝试解决这个问题。

Momentum

Momentum的式子如下：
$$\begin{array}{r}v\leftarrow \alpha v-\eta \frac{\partial L}{\partial W}\\ \\ W\leftarrow W+v\end{array}$$

这个式子参考了物理学中速度、加速度、力之间的关系，$W$为需要更新的权重参数，$\eta$是学习率，$v$为速度，这个速度是有方向的，$\alpha$是一个预参数，当梯度较小的时候，该参数负责减速，可以类比摩擦力的作用，$\frac{\partial L}{\partial W}$是梯度，有点类似加速度。

可以联想小球在碗中的运动来理解这个式子，当小球往从碗口向碗底走时，梯度起到主要作用，用以加速，当逐渐接近碗底时，α起到主要作用，用于减速。可以看到的是，当速度越大的时候，参数的变化也就越大，并且，速度在整体结果不到达最小值时是不会置0的，这就保证了宏观上收敛方向的正确性，相较于SGD只考虑局部的极小值，Momentum通过速度这一变量加快了最终值向最小值的收敛（因为存在一直向最小方向的加速或者速度）。

下面给出书上对Momentum的实现：

class Momentum:def __init__(self, lr=0.01, momentum=0.9):self.lr = lr#学习率self.momentum = momentum#αself.v = Nonedef update(self, params, grads):#移动if self.v is None:#初始为0self.v = {}for key, val in params.items():                                self.v[key] = np.zeros_like(val)for key in params.keys():self.v[key] = self.momentum*self.v[key] - self.lr*grads[key] params[key] += self.v[key]

AdaGrad

AdaGrad利用了学习率衰减的思想（随着学习进行，学习率逐渐减小），它会为参数的每个元素适当地调整学习率，并且会基于过去的结果对当下学习率的变化进行考察，式子如下：
$$\begin{array}{r}h\leftarrow h+\frac{\partial L}{\partial W}\times \frac{\partial L}{\partial W}\\ \\ W\leftarrow W-\eta \frac{1}{\sqrt{h}}\frac{\partial L}{\partial W}\end{array}$$

这里新加了一个变化$h$，用以记录过去所有梯度值的平方和，更新参数时使用$\frac{1}{\sqrt{h}}$控制变化的大小，当参数元素变化大，平方和就会变大，那么$\eta \frac{1}{\sqrt{h}}$作为新的学习率就会变小。

但是AdaGrad也有自己的问题，当更新次数越来越多时，更新的幅度就会降低，到最后甚至很难更新，而RMSProp解决了问题，它使用类似滑动窗口的方法，只选取最近的一部分梯度 ，逐渐抛弃过去的梯度，保证每次都能有较大更新。

书上给出的实现代码如下：

class AdaGrad:def __init__(self, lr=0.01):self.lr = lr#主要是处理学习率self.h = Nonedef update(self, params, grads):if self.h is None:self.h = {}for key, val in params.items():self.h[key] = np.zeros_like(val)for key in params.keys():self.h[key] += grads[key] * grads[key]#累平方和params[key] -= self.lr * grads[key] / (np.sqrt(self.h[key]) + 1e-7)#修改权重，加上微小值是为了防止h为0，把0作为除数

Adam

Adam采用了Momentum和AdaGrad的思想，它设置了三个超参数，学习率，一次Momentum系数和二次Momentum系数，但是书上并没有解释它的详细思想，具体可以参考Adam优化器算法详解及代码实现和
Adam优化器（通俗理解），书上只给了实现：

class Adam:def __init__(self, lr=0.001, beta1=0.9, beta2=0.999):self.lr = lrself.beta1 = beta1self.beta2 = beta2self.iter = 0self.m = Noneself.v = Nonedef update(self, params, grads):if self.m is None:self.m, self.v = {}, {}for key, val in params.items():self.m[key] = np.zeros_like(val)self.v[key] = np.zeros_like(val)self.iter += 1lr_t  = self.lr * np.sqrt(1.0 - self.beta2**self.iter) / (1.0 - self.beta1**self.iter)         for key in params.keys():self.m[key] += (1 - self.beta1) * (grads[key] - self.m[key])self.v[key] += (1 - self.beta2) * (grads[key]**2 - self.v[key])params[key] -= lr_t * self.m[key] / (np.sqrt(self.v[key]) + 1e-7)

方法比较

书上给出了四种更新参数的方法，每个方法有自己的适用情况，SGD简单，但是相比之下收敛较慢，Adam似乎是最好，但其实它容易在最优值附近震荡，书上以MNIST数据集为实验对象，使用一个5层神经网络进行了学习比较，结果如下：

可以直观的看到，在MNIST数据集上，SGD学习的最慢，AdaGrad最快，但这样的比较其实不完全准确，因为实验的结果会随超参数和神经网络结构的不同而变化，一般而言，其他方法都优于SGD。

权重初始化

权重的初始化对神经网络的学习很重要，有时可以关系到神经网络的学习是否成功。

关于置0

权重初始值是不能设置为0的，可以以乘法节点来理解，如果都是0输入，在反向传播时，由于乘法节点传播回去的数据为偏导乘上输入，输入是0，那么偏导无论是多少结果都是0，权重全部被更新成相同的值，这使得神经网络不再拥有许多不同的权重，也就无法学习了。

隐藏层激活值分布

一般来说，权重初始值是随机的，书上给出一个向5层神经网络（激活用sigmod）传入随机初始值的实验，代码如下：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as pltdef sigmoid(x):return 1 / (1 + np.exp(-x))input_data = np.random.randn(1000, 100)  # 1000个数据，符合高斯分布
node_num = 100  # 各隐藏层的节点（神经元）数
hidden_layer_size = 5  # 隐藏层有5层
activations = {}  # 激活值的结果保存在这里x = input_datafor i in range(hidden_layer_size):if i != 0:x = activations[i-1]w = np.random.randn(node_num, node_num) * 1#标准差为1a = np.dot(x, w)z = sigmoid(a)activations[i] = z# 绘制直方图
for i, a in activations.items():plt.subplot(1, len(activations), i+1)plt.title(str(i+1) + "-layer")if i != 0: plt.yticks([], [])plt.hist(a.flatten(), 30, range=(0,1))
plt.show()

运行结果如图：
可以发现激活值在每一层的分布像一个U型，位于0和1的值很多，这有什么问题呢？让我们回想一下sigmod函数，它的图像是一个拉伸的S型，在靠近0或1的时候，函数的导数是趋近于0的，而神经网络学习时是要靠偏导反向传播的，偏导很小或者趋于0，会使得梯度在反向传播过程中逐渐减小，造成梯度消失这一现象，层次越高，这种减小的量就越多，梯度消失就更严重。

如果把标准差变小，取0.02，结果如下：

可以发现数据都在0.5附近，梯度消失的问题似乎解决了，但另一个问题接踵而来，激活值的分布有集中的倾向，随着层数增加，区间越来越小，也就是随机性减小了，如果有多个神经元的输出值一样，那么完全可以删除多余的神经元，只保留少量的。这种情况叫做表现力受限。

可见初始值的设定对神经网络是非常重要的，书上给出了解决上述两种情况的方案：使用Xavier初始值（如果前一层的节点数为$n$，则初始值使用标准差为$\frac{1}{\sqrt{n}}$的分布），具体的适用结果如下图：

可以看到，随着层数的增加，既没有出现梯度消失的问题，也没有出现表现力受限的情况，数据分布的广度较好，也很随机。

如果将sigmod替换成tanh函数，会得到更好的结果（激活函数最好关于原点对称）：

ReLU权重初值

Xavier初始值是以激活函数为线性函数或者类线性函数推出来的，当激活函数为纯非线性函数时，就需要更换选择的初始值分布，以ReLU来说，它就有专用的He初始值，He在Xavier的基础上将$\frac{2}{\sqrt{n}}$替换了$\frac{1}{\sqrt{n}}$。

下面给出采用ReLU函数作为激活函数，分别用标准差为0.01的高斯分布，初始值为Xavier，初始值为He的结果：

可以看到，第一种有严重的梯度消失，第二种，即Xavier有梯度消失的倾向，当层数变多时也会变成类似第一种的情况，只有第三种即使层数加深后依然保持稳定。

权重比较

以实际的MNIST数据集为例，对上述的三种初始权重进行比较，得到的图如下：

可以用看到，0.01的高斯分布表现很差，完全无法学习，He的表现最好，Xavier其次。

Batch Normalization

为了使各层拥有适当广度，除了在初始的数据分布上尝试，也可以直接强制调整激活值的分布，Batch Normalization就是利用的这个思想。

为了实现Batch Normalization，需要在神经网络中插入Batch Normalization层，具体如下：

书上给出了对Batch Normalization更具体的解释，该方法以学习时的mini-batch为单位，把每一个mini-batch都进行正规化，是的数据分布均值为0，方差为1，数学式子如下：
$$\begin{array}{r}{\mu }_B\leftarrow \frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{x}_i\\ {\sigma }_B^2\leftarrow \frac{1}{m}\sum _{i=1}^m(x_i-{\mu }_B{)}^2\\ \hat{x}\leftarrow \frac{x_i-{\mu }_B}{\sqrt{{\sigma }_B^2+\epsilon }}\end{array}$$

得到的分别是均值，方差，x估计，微小值ε是防止除数为0。

该方法将输入数据均值变成0，方差变成1，将处理插在激活函数前，之后对正规化后的数据进行缩放和平移变换：$y_i=\gamma \widehat{x_i}+\beta$，计算图过于复杂，这里直接给出书上的图：

如图是权重初始值的标准差为各种不同值的学习过程图，可以看到使用之后的准确率明显更高：

处理过拟合

过拟合的概念前面已经提到过多次，这里只说明过拟合的两个原因：模型拥有大量参数、表现力强以及训练数据过少。

权值衰减

权值衰减的思路很简单，在学校过程中，对取值过大的权重进行“惩罚”，以L2范数（权重的平方和开开方）为例，权重为$W$，则权值衰减就是$\frac{1}{2}\lambda W^2$，之后这个衰减会加在损失函数上。这里的λ是控制正则化的超参数，越大则惩罚越重，½是用于求导之后变成λW调整常用量。对于所有权重，衰减都会被加在损失函数上，因此求梯度时候，反向传播的结果也要加上λW。

书上以一个7层网络为例（数据量为300），探讨了使用权值衰减和不使用的情况，结果如下图：

第一张为没有使用权值衰减，第二章为使用λ=0.1的权值衰减，可以看到，在使用了权值衰减之后，模型在测试集和数据集上的差距变小了。

书上给出权值衰减相关部分的代码如下：

 def loss(self, x, t):#损失函数y = self.predict(x)weight_decay = 0for idx in range(1, self.hidden_layer_num + 2):W = self.params['W' + str(idx)]weight_decay += 0.5 * self.weight_decay_lambda * np.sum(W ** 2)#1/2 λ W^2，weight_decay_lambda 就是λreturn self.last_layer.forward(y, t) + weight_decaydef gradient(self, x, t):# forwardself.loss(x, t)# backwarddout = 1dout = self.last_layer.backward(dout)layers = list(self.layers.values())layers.reverse()for layer in layers:dout = layer.backward(dout)# 设定grads = {}for idx in range(1, self.hidden_layer_num+2):grads['W' + str(idx)] = self.layers['Affine' + str(idx)].dW + self.weight_decay_lambda * self.layers['Affine' + str(idx)].Wgrads['b' + str(idx)] = self.layers['Affine' + str(idx)].dbreturn grads

Dropout

权值衰减实现简单，也易于理解，但是当网络模型变得很复杂的时候，权值耍贱的作用就很难体现了，这时候，Dropout就成为了更好的选择。

Dropout的思路很简单，复杂模型在经过多轮的学习后，可能会出现类似路径依赖的后果，这个时候可以随机的删除神经元，迫使模型重新学习，被删除的神经元不再进行信号的传递。训练过程中，每传递一次数据，就会随机删除一定数目的神经元，测试时，对于所有神经元的信号照常传递，但是对输出需要乘上删除的比例，书上给出的图如下：

书上给出的代码实现如下：

class Dropout:def __init__(self, dropout_ratio=0.5):#设定概率self.dropout_ratio = dropout_ratioself.mask = Nonedef forward(self, x, train_flg=True):#传播if train_flg:self.mask = np.random.rand(*x.shape) > self.dropout_ratio#随机生成和x形状相同的数组，比预设值大的元素设为1return x * self.maskelse:return x * (1.0 - self.dropout_ratio)def backward(self, dout):return dout * self.mask#反向保持原样

使用之后的结果如下，可以看到两者较为接近。

机器学习中常使用集成学习（多个模型单独学习，推理取输出平均值），这和Dropout的思想不谋而合，Dropout每次随机删除一些神经元，就相当于用一个新的模型学习了一次，可以理解为它将集成学习的效果通过一个网络实现了。

超参数验证

除了权重偏置等，超参数也是需要考虑的优化参数之一，如果超参数没有取到合适的值，模型的性能就会很差（如学习率取过大过小）。

验证数据

对于超参数，是不能用测试数据评估的，因为如果使用测试数据评估，超参数的值就会对测试数据发生过拟合，因此，对于超参数需要使用专用的确认数据，这种数据被称为验证数据。

最优化和实现

超参数其实是试出来的，因此在进行最优化时，选择一个恰当的其实范围进行尝试是很重要的，在选取好范围之后，在范围内进行随机取样，然后进行小数量的训练（步骤不多）进行观察，根据结果再判断选取的值是否合适，循环往复（存在更加优化的方法，如贝叶斯最优化）。

书上超参数的随机采样实现如下：

 weight_decay = 10 ** np.random.uniform(-8, -4)#这里是权值衰减系数，随机范围为1e-8到1e-4lr = 10 ** np.random.uniform(-6, -2)#这里是学习率，随机范围为1e-6到1e-2

对于不同随机的学习率和权值衰减系数，得到的验证数据的精度如下（虚线为训练数据精度，实线为验证数据精度）：

当我们细看结果时（图片如下），可以看到，根据结果，我们可以缩小区间和变化的幅度（例如选取Best-1到Best-6之间的取值）进行尝试，类似寻找极值的方法来找到最优的超参数。

总结

可以看到，当使用了一些深度学习优化上的技巧之后（Dropout、初始值赋值等），不仅是学习过程，甚至在结果上，所得到的模型的泛化能力和数据准确度都可以得到一定程度的加强，因此，深度学习的优化技巧是非常重要的。

参考文献

1. 《深度学习入门——基于Python的理论与实现》