TensorFlow——学习率衰减的使用方法

在TensorFlow的优化器中， 都要设置学习率。学习率是在精度和速度之间找到一个平衡：

学习率太大，训练的速度会有提升，但是结果的精度不够，而且还可能导致不能收敛出现震荡的情况。

学习率太小，精度会有所提升，但是训练的速度慢，耗费较多的时间。

因而我们可以使用退化学习率，又称为衰减学习率。它的作用是在训练的过程中，对学习率的值进行衰减，训练到达一定程度后，使用小的学习率来提高精度。

在TensorFlow中的方法如下：tf.train.exponential_decay()，该方法的参数如下：

learning_rate, 初始的学习率的值

global_step, 迭代步数变量

decay_steps, 带迭代多少次进行衰减

decay_rate, 迭代decay_steps次衰减的值

staircase=False, 默认为False，为True则不衰减

例如

tf.train.exponential_decay(initial_learning_rate, global_step=global_step, decay_steps=1000, decay_rate=0.9)表示没经过1000次的迭代，学习率变为原来的0.9。

增大批次处理样本的数量也可以起到退化学习率的作用。

下面我们写了一个例子，每迭代10次，则较小为原来的0.5，代码如下：

import tensorflow as tf
import numpy as np

global_step = tf.Variable(0, trainable=False)
initial_learning_rate = 0.1

learning_rate = tf.train.exponential_decay(initial_learning_rate,
                                           global_step=global_step,
                                           decay_steps=10,
                                           decay_rate=0.5)

opt = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate)
add_global = global_step.assign_add(1)

with tf.Session() as sess:
    tf.global_variables_initializer().run()
    print(sess.run(learning_rate))

    for i in range(50):
        g, rate = sess.run([add_global, learning_rate])
        print(g, rate)

下面是程序的结果，我们发现没10次就变为原来的一般：

随后，又在MNIST上面进行了测试，发现使用学习率衰减使得准确率有较好的提升。代码如下：

import tensorflow as tf
import numpy as np
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
import matplotlib.pyplot as plt

mnist = input_data.read_data_sets('MNIST_data', one_hot=True)

tf.reset_default_graph()

x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784])
y = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])

w = tf.Variable(tf.random_normal([784, 10]))
b = tf.Variable(tf.zeros([10]))

pred = tf.matmul(x, w) + b
pred = tf.nn.softmax(pred)

cost = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y * tf.log(pred), reduction_indices=1))

global_step = tf.Variable(0, trainable=False)
initial_learning_rate = 0.1

learning_rate = tf.train.exponential_decay(initial_learning_rate,
                                           global_step=global_step,
                                           decay_steps=1000,
                                           decay_rate=0.9)


opt = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate)
add_global = global_step.assign_add(1)

optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(cost)

training_epochs = 50
batch_size = 100

display_step = 1

with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())

    for epoch in range(training_epochs):
        avg_cost = 0
        total_batch = int(mnist.train.num_examples/batch_size)
        for i in range(total_batch):
            batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(batch_size)
            _, c, add, rate = sess.run([optimizer, cost, add_global, learning_rate], feed_dict={x:batch_xs, y:batch_ys})
            avg_cost += c / total_batch

        if (epoch + 1) % display_step == 0:
            print('epoch= ', epoch+1, ' cost= ', avg_cost, 'add_global=', add, 'rate=', rate)
    print('finished')

    correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(pred, 1), tf.argmax(y, 1))
    accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
    print('accuracy: ', accuracy.eval({x:mnist.test.images, y:mnist.test.labels}))

在使用衰减学习率我们最后的精度达到0.8897，在使用固定的学习率时，精度只有0.8586。