深度学习——L0、L1及L2范数

在深度学习中，监督类学习问题其实就是在规则化参数同时最小化误差。最小化误差目的是让模型拟合训练数据，而规则化参数的目的是防止模型过分拟合训练数据。

参数太多，会导致模型复杂度上升，容易过拟合，也就是训练误差小，测试误差大。因此，我们需要保证模型足够简单，并在此基础上训练误差小，这样训练得到的参数才能保证测试误差也小，而模型简单就是通过规则函数来实现的。

规则化项可以是模型参数向量的范数。如：L0、L1、L2等。 

一、L0范数与L1范数

       L0范数是指向量中非0的元素的个数。如果我们用L0范数来规则化一个参数矩阵W的话，就是希望W的大部分元素都是0。换句话说，让参数W是稀疏的。

       L1范数是指向量中各个元素绝对值之和。L1范数是L0范数的最优凸近似。任何的规则化算子，如果他在Wi=0的地方不可微，并且可以分解为一个“求和”的形式，那么这个规则化算子就可以实现稀疏。W的L1范数是绝对值，|w|在w=0处是不可微。

       虽然L0可以实现稀疏，但是实际中会使用L1取代L0。因为L0范数很难优化求解，L1范数是L0范数的最优凸近似，它比L0范数要容易优化求解。

二、L2范数

       L2范数，又叫“岭回归”（Ridge Regression）、“权值衰减”（weight decay）。这用的很多吧，它的作用是改善过拟合。过拟合是：模型训练时候的误差很小，但是测试误差很大，也就是说模型复杂到可以拟合到所有训练数据，但在预测新的数据的时候，结果很差。

       L2范数是指向量中各元素的平方和然后开根。我们让L2范数的规则项||W||2最小，可以使得W的每个元素都很小，都接近于0。而越小的参数说明模型越简单，越简单的模型则越不容易产生过拟合现象。

三、L1范数和L2范数的差别

一个是绝对值最小，一个是平方最小：

L1会趋向于产生少量的特征，而其他的特征都是0，而L2会选择更多的特征，这些特征都会接近于0。

cs231n中的解释：

L1背后的含义是：它通常更加喜欢稀疏解一些，它倾向于让你的大部分W元素接近0，少量元素可以除外，它们可以被允许偏离0，L1度量复杂度的方式有可能是非零元素的个数。

而L2更多考虑的是W整体分布，所有的元素具有较小的复杂性。