《深度学习-改善深层神经网络》-第二周-优化算法-Andrew Ng
看到有不少人挺推崇：An overview of gradient descent optimization algorithms；特此放到最上面，大家有机会可以阅读一下；
本文内容主要来源于Coursera吴恩达《优化深度神经网络》课程，另外一些不同优化算法之间的比较也会出现在其中，具体来源不再单独说明，会在文末给出全部的参考文献；
本主要主要介绍的优化算法有：
- Mini-batch梯度下降（Mini-batch gradient descent）
- 指数加权平均（Exponentially weighted averages）
- Momentum梯度下降法
- RMSprop算法
- Adam算法
其实就是对梯度下降的优化算法，每一种优化算法会介绍其：基本原理、TensorFlow中的使用、不同优化算法的优缺点总结；在最后会介绍调整学习率衰减的方式以及局部最优问题；
1. Mini-batch gradient descent
如果样本数量不是过于庞大，一般使用batch的方式进行计算，即将整个样本集投入到深度神经网络进行梯度下降；而一般实际应用中，样本集的数量将会很大，如达到百万数量级，这种情况下如果继续使用batch的方式，训练的速度往往会很慢；
因此，假如每次只对整个样本集中的部分样本执行梯度下降，这就有了Mini-batch gradient descent。
1.1 算法原理
整个样本集\(X=[x^1, x^2, \cdots, x^m] \in R^{n \times m}\)；\(Y=[y^1, y^2, \cdots, y^m] \in R^{1 \times m}\)；
假设：
\(m=5000000\)；每一个mini-batch含有1000个样本，即\(X^{\{t\}} \in R^{n \times 1000},Y^{\{t\}} \in R^{1 \times 1000}, t=1, 2, \cdots, 5000\)；
\(x^i\)表示第\(i\)个样本；\(Z^{[l]}\)表示网络第\(l\)层网络的线性输出；\(X^{\{t\}}, Y^{\{t\}}\)表示第\(t\)组mini-batch；
即在每一个mini-batch上执行梯度下降，伪代码如下：
# 一个epoch
for t = 1, ..., T{
Forward Propagation
Compute Cost Function
Backward Propagation
}
其中，每一步详解：
（1）Forward Propagation
第一层网络非线性输出：
第\(l\)层网络非线性输出：
（2）Compute Cost Function
计算代价函数：
（3）Backward Propagation
更新权重和偏置：
经过T次for循环后，表示已经在整个样本集上训练了一次，即一个epoch；可以执行多个epoch；
1.2 进一步理解Mini-batch gradient descent
对与Batch Gradient Descent来说，一个epoch只进行了一次梯度下降；而对于Mini-batch Gradient Decent来说，一个epoch进行T次梯度下降；
1.2.1 Cost function
（1）左图表示一般神经网络中，使用Batch Gradient Descent，随着在整个样本集上迭代次数的增加，cost在不断的减小；
（2）右图表示使用Mini-batch Gradient Descent，随着在不同的mini-batch上进行训练，cost整体趋势处于下降，但由于受到噪声的影响，会出现震荡；
（3）Mini-batch Gradient Descent中cost出现震荡的原因时：不同的mini-batch之间是存在差异的，可能其中某些mini-batch是好的子集，而某些子集中存在噪声，因此cost会出现震荡的情况；
1.2.2 如何选择batch size
总共有三种选择方式：（1）batch_size=m；（2）batch_size=1；（3）batch_size介于1和m之间；
（1）Batch Gradient Descent（batch_size = m）
当batch_size=m，就成了Batch Gradient Descent，只有包含一个子集，就是整个数据集；即\((X^{\{1\}}, Y^{\{1\}})=(X,Y)\)；
（2）Stochastic Gradient Descent（batch_size=1）
当batch_size=m，就成了Stochastic Gradient Descent，共包含m个子集，每个样本作为一个子集，即\((X^{\{1\}}, Y^{\{1\}})=(x^i,y^i)\)；
（3）Mini-batch gradient descent（batch_size介于1和m之间）
上图表示三者之间梯度下降曲线：
a. 蓝色表示Batch Gradient Descent，会比较平稳的接近全局最小值；由于使用了全部数据集，每次前进的速度会比较慢；
b. 紫色表示Stochastic Gradient Descent，每次前进速度很快；但由于每次只使用了一个样本，会出现较大的震荡；而且，不会收敛到最小值，最终会在最小值附近来回波动
c. 绿色表示Mini-batch gradient descent，每次前进速度较快，且震荡较小，基本能够接近最小值；如果出现在最小值附近波动，可以减小学习率；
| 算法 | Stochastic Gradient Descent | Mini-batch gradient descent | Batch Gradient Descent |
|---|---|---|---|
| 优点 | 适用于单个样本； | （1）能够快速学习；（2）向量化加速；（3）未在整个训练集上训练完，就可以执行后续工作； | |
| 缺点 | （1）丢失了向量化带来的加速；（2）效率低； | 单次迭代时间太长； |
如何为Mini-batch gradient descent选择batch size？
- 64-512，2的n次方，提高运算速度；
- \(X^{\{t\}}, Y^{\{t\}}\)符合GPU、CPU内存；
1.3 TensorFlow中的梯度下降
1.3.1 构建optimizer
optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(leraning_rate)
train = optimizer.minimize(loss)
1.3.2 tf.train.GradientDescentOptimizer()
tf.train.GradientDescentOptimizer.__init__(self,
learning_rate,
use_locking=False,
name="GradientDescent"):
Args:
learning_rate: A Tensor or a floating point value. The learning rate to use. # 学习率
use_locking: If True use locks for update operations. #
name: Optional name prefix for the operations created when applying gradients. Defaults to "GradientDescent".
1.3.3 TensorFlow中的使用
#coding=utf-8
import tensorflow as tf
# Model parameters
W = tf.Variable([.3], dtype=tf.float32)
b = tf.Variable([-.3], dtype=tf.float32)
# Model input and output
x = tf.placeholder(tf.float32)
y_pred = W * x + b
y = tf.placeholder(tf.float32)
# loss
loss = tf.reduce_sum(tf.square(y_pred - y)) # sum of the squares
# optimizer
optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.01)
train = optimizer.minimize(loss)
# training data
x_train = [1, 2, 3, 4]
y_train = [0, -1, -2, -3]
# training loop
init = tf.global_variables_initializer()
sess = tf.Session()
sess.run(init) # reset values to wrong
for i in range(1000):
sess.run(train, {x: x_train, y: y_train})
# evaluate training accuracy
curr_W, curr_b, curr_loss = sess.run([W, b, loss], {x: x_train, y: y_train})
print("W: %s b: %s loss: %s" % (curr_W, curr_b, curr_loss))
2. Exponentially weighted averages
指数加权平均（Exponentially weighted averages）是除梯度下降算法之外其他优化算法中重要的概念，因此，这里先介绍其概念。
2.1 伦敦天气温度
这里不再介绍如何引入指数加权平均的，具体参考：网易云课堂-吴恩达《优化深度神经网络》-第二周或红色石头Will-吴恩达《优化深度神经网络》课程笔记；
假设：\(V_0 = 0\)；
其中，\(\theta_t\)表示第\(t\)天的温度；\(V_t\)表示通过移动平均的方法对每天气温进行平滑处理后结果；
\(\beta\)值决定了指数加权平均的天数，即\(\dfrac{1}{1-\beta}\)；\(\beta\)表示加权平均的天数越多，平均后的趋势越平缓，同时也会向右移动；
即，当\(\beta=0.9\)，则\(\dfrac{1}{1-\beta}=10\)，表示将前10天进行指数加权平均；
2.2 进一步理解Exponentially weighted averages
2.2.1 理解指数加权平均一般形式
其中，\(\theta_t, \theta_{t-1}, \cdots , \theta_1\)表示原始数据集，即下图中的第一张图；
\((1-\beta), (1-\beta)\cdot \beta, \cdots, (1-\beta)\cdot \beta^{t-1}\)类似指数曲线，如下图中第二张图；从右向左，呈指数下降；
\(V_t\)表示两者点乘，将原始数据值与衰减指数点乘，相当于做了指数衰减，离的越近，影响就越大；离的越远，影响就越小，衰减就越严重；
2.2.2 实际计算指数加权平均
实际应用中，为了减少内存的使用，可以使用如下语句实现指数加权平均：
\(V_0=0\)
Repeat{
}
2.3 偏差修正（bias correction）
因为初始假设\(V_0=0\)，可以想到，在使用\(V_t = \beta V_{t-1} + (1-\beta)\theta_t\)计算的时候，前面的一些值将会受到很大的影响，会比正常值小一些，直到计算后面数据的时候，影响才会渐渐变小，趋于正常。
因此，修正这种问题的方式是偏移修正（bias correction），即对\(V_t\)作如下处理：
在机器学习中，偏移修正不是必须的；
3. Gradient descent with momentum（Momentum梯度下降法）
动量梯度下降算法（Gradient descent with momentum）的速度要快于标准的梯度下降算法；
具体做法是：在每次训练时，对梯度计算指数加权平均，然后使用得到的梯度值更新权重和偏置；
3.1 梯度下降
如上图蓝色折线所示，表示标准梯度下降算法；在梯度下降的过程中，会出现震荡的情况，这是因为每一点的梯度只与当前梯度方向有关，因此会出现折线的效果；
如上图红色折线所示，表示使用momentum梯度下降算法；可以看到，在梯度下降的过程中，不会出现剧烈的震荡，这是因为，每一个点的梯度不仅与当前梯度方向有关，还与之前的梯度方向有关；能够做到纵轴摆动变小，横轴方向运动更快；
3.2 伪代码表示
On iteration t{
Compute dW, db on the current mini-batch
\(V_{dW} = \beta V_{dW} + (1-\beta)dW\)
\(V_{db} = \beta V_{db} + (1-\beta)db\)
更新权重和偏置
\(W := W - \alpha V_{dW}, b := b - \alpha V_{db}\)
}
其中，初始化时，\(V_{dW}=0, V_{db}=0, \beta=0.9\)；
3.3 TensorFlow中的Gradient descent with momentum
3.3.1 构建optimizer
# optimizer
optimizer = tf.train.MomentumOptimizer(0.01, momentum) # \beta
train = optimizer.minimize(loss)
3.3.2 tf.train.MomentumOptimizer()
tf.train.MomentumOptimizer.__init__(self, learning_rate, momentum,
use_locking=False, name="Momentum", use_nesterov=False):
Args:
learning_rat: A `Tensor` or a floating point value. The learning rate. # 学习率
momentum: A `Tensor` or a floating point value. The momentum. # 就是指数加权平均中的超参数\alpha=0.9
use_locking: If `True` use locks for update operations.
name: Optional name prefix for the operations created when applying gradients. Defaults to "Momentum".
use_nesterov: If `True` use Nesterov Momentum. # 另一种优化算法，由momentum改进而来，效果更好；来源于：http://jmlr.org/proceedings/papers/v28/sutskever13.pdf
Return:
optimizer
4. RMSprop
RMSprop（Root mean squared prop）是另外一种优化梯度下降的算法，类似于Momentum Gradient descent，同样可以在纵轴上减小摆动，在横轴方向上运动更快；
4.1 伪代码表示
On iteration t{
Compute dW, db on the current mini-batch
\(S_{dW} = \beta S_{dW} + (1-\beta)(dW)^2\)
\(S_{db} = \beta S_{db} + (1-\beta)(db)^2\)
更新权重和偏置
\(W := W - \alpha \dfrac{dW}{\sqrt{S_W}+\epsilon}, b := b - \alpha \dfrac{db}{\sqrt{S_W}+\epsilon}\)
}
其中，一般取\(\epsilon=10^{-8}\)，防止分母趋近于0；
4.2 TensorFlow中的RMSprop
4.2.1 构建optimizer
# optimizer
optimizer = tf.train.RMSPropOptimizer(0.01, decay, momentum) # decay不清楚具体什么作用？？求解：
train = optimizer.minimize(loss)
4.2.2 tf.train.RMSPropOptimizer()
tf.train.RMSPropOptimizer.__init__(self,
learning_rate,
decay=0.9,
momentum=0.0,
epsilon=1e-10,
use_locking=False,
centered=False,
name="RMSProp")
Args:
learning_rate: A Tensor or a floating point value. The learning rate. # 学习率
decay: Discounting factor for the history/coming gradient # ？？
momentum: A scalar tensor. # \alpha
epsilon: Small value to avoid zero denominator. # \epsilon 防止分母趋近于0
use_locking: If True use locks for update operation.
centered: If True, gradients are normalized by the estimated variance of the gradient; if False, by the uncentered second moment. Setting this to True may help with training, but is slightly more expensive in terms of computation and memory. Defaults to False.
name: Optional name prefix for the operations created when applying gradients. Defaults to "RMSProp".
5. Adam optimization algorithm
Adam优化算法是结合了Gradient descent with momentum与RMSprop两种算法；被证明能够适用于不同的神经网络；
5.1 Adam算法流程-伪代码
初始化：\(V_{dW}=0, S_{dW}=0, V_{db}=0, S_{db}=0\)；
On iteration t {
Compute \(dW, db\) on each mini-batch
\(V_{dW} = \beta_1 V_{dW} + (1-\beta_1)dW\)
\(V_{db} = \beta_1 V_{db} + (1-\beta_1)db\)
\(S_{dW} = \beta_2 S_{dW} + (1-\beta_2)(dW)^2\)
\(S_{db} = \beta_2 S_{db} + (1-\beta_2)(db)^2\)
\(V_{dW}^{corrected}= \dfrac{V_{dW}}{1-\beta_1^t}, V_{db}^{corrected}= \dfrac{V_{db}}{1-\beta_1^t}\)
\(S_{dW}^{corrected}= \dfrac{S_{dW}}{1-\beta_2^t}, S_{db}^{corrected}= \dfrac{S_{db}}{1-\beta_2^t}\)
\(W := W - \alpha \dfrac{V_{dW}^{corrected}}{\sqrt{S_{dW}^{corrected}}+\epsilon} b := b - \alpha \dfrac{V_{db}^{corrected}}{\sqrt{S_{db}^{corrected}}+\epsilon}\)
}
Adam算法中需要做偏差修正；
超参数设置：\(\beta_1 = 0.9, \beta_2=0.999, \epsilon = 10^{-8}\)；一般只需要对学习率\(\alpha\)进行调试；
5.2 TensorFlow中Adam optimization algorithm
5.2.1 构建optimizer
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate, beta1, beta2, epsilon)
train = optimizer.minimize(loss)
5.2.2 tf.train.AdamOptimizer
tf.train.AdamOptimizer._init__(self,
learning_rate=0.001,
beta1=0.9,
beta2=0.999,
epsilon=1e-8,
use_locking=False,
name="Adam"):
Args:
learning_rate: A Tensor or a floating point value. The learning rate. # 学习率
beta1: A float value or a constant float tensor. The exponential decay rate for the 1st moment estimates. # \beta_1
beta2: A float value or a constant float tensor. The exponential decay rate for the 2nd moment estimates. # \beta_2
epsilon: A small constant for numerical stability. This epsilon is "epsilon hat" in the Kingma and Ba paper (in the formula just before Section 2.1), not the epsilon in Algorithm 1 of the paper.
use_locking: If True use locks for update operations.
name: Optional name for the operations created when applying gradients. Defaults to "Adam".
6. 不同优化算法的优缺点总结
6.1 Batch Gradient Descent
思想：基于整个训练集进行梯度下降，更新权重；
优点：
- 考虑的是全局损失，不会陷入局部最优；
缺点：
- 每次迭代计算量较大，占用内存较高；
6.2 Stochastic Gradient Descent
思想：从训练集中随机选取一个样本计算梯度更新参数；
优点：
- 由于是对当个样本的损失计算梯度，因此计算量较小；
缺点：
- 仅考虑单个样本，容易陷入局部最优；
- 训练集较大时，训练时间较长；
- 选择合适的学习率比较困难；
- 对参数初始化比较敏感；
- 由于引入了噪声，因此具有正则化的效果；
6.3 Mini Batch Gradient Descent
思想：从整个样本集中选择batch_size个样本计算损失的梯度，更新权重；
优点：
- 对于很大的训练集，能够较快的收敛；
缺点：
- 梯度更新的方向依赖于当前batch内的样本，所以梯度的方向不稳定；
- 可能会出现不会收敛的最小值的情况，需要逐渐减小学习率；
6.4 Gradient Descent with Momentum
思想：基于之前梯度的方向以及当前batch的梯度方向进行更新；
优点：
- 减弱纵向方向的摆动，对震荡的情况能够有一定的抑制作用；
- 加速横向的运动，快速接近于最优值，加速收敛；
6.5 RMSprop
思想：类似于动量梯度下降，引入了指数权重加权平均值；
6.6 AdaGrad
思想：综合了Gradient Descent with Momentum与RMSprop两种优化算法；
优点：
- 训练前期，更新幅度大；
- 训练后期，更新幅度小；
- 适合处理稀疏梯度；
缺点：
- 训练后期，会导致学习率很小，梯度更新的很慢；
- 自定义全局学习率；
7. Learning rate decay
在神经网络训练的过程中，适当减小学习率有利于提高训练速度，该类方法称为learning rate decay，即随着迭代次数的增加，学习率\(\alpha\)逐渐减小；
7.1 学习率减小的几种方式
（1）第一种：
其中，\(decay\_rate\)衰减参数；\(epoch\_num\)表示迭代次数；
（2）第二种：
（3）第三种：
（4）第四种：
将\(\alpha\)设置为关于\(t\)的离散值，随着\(t\)的增加，\(\alpha\)呈阶梯式减少；
（5）第五种：
通过查看训练日志，手动调整学习率；
7.2 TensorFlow中的学习率设置
由于TensorFlow中提供的学习率设置方式有不少种，而本文主要是叙述梯度下降的优化算法，在此处介绍将会占用不小的篇幅，显得有些臃肿，因此，另总结一篇博文供自己学习；
8. The problem of local optima
在使用梯度下降算法减少cost function的时候，可能会得到局部最优解，而不是全局最优解；
我们认为的局部最优可能如下图左边所示；但在神经网络中，局部最优的概念发生了变化；大部分梯度为零的“最优点“不是这些凹槽处，而是如下图右边的马鞍处，称为saddle point。
类似马鞍状的plateaus会降低神经网络的学习速度。plateaus是梯度接近于零的平缓区域，如下图所示，在plateaus上梯度很小，前进缓慢，达到saddle point需要很长时间；到达saddle point后，由于随机扰动，梯度能够进去下降；但是会在plateaus上花费很多时间；
动量梯度下降、RMSprop、Adam算法能够解决plateaus下降过慢的问题，提高训练速度；
结束！！！
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