机器学习相关技巧

参数的更新

      神经网络的学习的目的是找到使损失函数的值尽可能小的参数。这是寻 找最优参数的问题，解决这个问题的过程称为最优化（optimization）。

      SGD

      这里把需要更新的权重参数记为W，把损失函数关于W的梯度记为 。 η表示学习率，实际上会取0.01或0.001这些事先决定好的值。式子中的表示用右边的值更新左边的值。 

　 SGD的缺点：SGD低效的根本原因是，梯度的方向并没有指向最小值的方向。 

    Momentum

     Momentum是“动量”的意思，和物理有关。这里新出现了一个变量v，对应物理上的速度。式中有 αv这一项，在物体不受任何力时，该项承担使物体逐渐减速的任务（α设定为0.9之类的值），对应物理上的地面摩擦或空气阻力。

    AdaGrad

    在关于学习率的有效技巧中，有一种被称为学习率衰减（learning rate decay）的方法，即随着学习的进行，使学习率逐渐减小。AdaGrad会为参数的每个元素适当地调整学习率，与此同时进行学习 。

     这里新出现了变量h，如式(6.5)所示，它保 存了以前的所有梯度值的平方和。在更新参数时，通过乘以 ，就可以调整学习的尺度。这意味着， 参数的元素中变动较大（被大幅更新）的元素的学习率将变小。也就是说， 可以按参数的元素进行学习率衰减，使变动大的参数的学习率逐渐减小。AdaGrad会记录过去所有梯度的平方和。因此，学习越深入，更新 的幅度就越小。实际上，如果无止境地学习，更新量就会变为0， 完全不再更新。

    Adam

    Momentum参照小球在碗中滚动的物理规则进行移动，AdaGrad为参 数的每个元素适当地调整更新步伐，Adam将两者的思想结合起来。基于Adam的更新过程就像小球在碗中滚动一样。虽然 Momentun也有类似的移动，但是相比之下，Adam的小球左右摇晃的程度有所减轻。这得益于学习的更新程度被适当地调整了。

权重的初始值

     简单地说，权值衰减就是一种以减小权重参数的值为目的进行学习的方法。通过减小权重参数的值来抑制过拟合的发生。如果想减小权重的值，一开始就将初始值设为较小的值才是正途。实际上，在这之前的权重初始值都是像0.01 * np.random.randn(10, 100)这样，使用由高斯分布生成的值乘以0.01 后得到的值（标准差为0.01 的高斯分布）。为了防止“权重均一化”(严格地讲，是为了瓦解权重的对称结构），必须随机生成初始值。

     使用标准差为1 的高斯分布时，各层的激活值的分布如图所示， 各层的激活值呈偏向0 和1 的分布。使用sigmoid函数是S型函数，随着输出不断地靠近0（或者靠近1），它的导数的值逐渐接近0。因此，偏向0 和1 的数据分布会造成反向传播中梯度的值不断变小，最后消失。这个问题称为梯度消失（gradient vanishing）。层次加深的深度学习中，梯度消失的问题可能会更加严重。

       使用标准差为0.01 的高斯分布时，各层的激活值的分布.这次呈集中在0.5 附近的分布。因为不像刚才的例子那样偏向0 和1，所以不会发生梯度消失的问题。但是，激活值的分布有所偏向，但是表现力上会有很大问题。因为如果有多个神经元都输出几乎相同的值，那它们就没有存在的意义了。比如，如果100 个神经元都输出几乎相同的值，那么也可以由1 个神经元来表达基本相同的事情。因此，激活值在分布上有所偏向会出现“表现力受限”的问题。

     各层的激活值的分布都要求有适当的广度。为什么呢？因为通过在各层间传递多样性的数据，神经网络可以进行高效的学习。反过来，如果传递的是有所偏向的数据，就会出现梯度消失或者“表现力受限”的问题，导致学习可能无法顺利进行。

     Xavier初始值：与前一层有n个节点连接时，初始值使用标准差为的分布。

ReLU的权重初始值

     当前一层的节点数为n 时，He 初始值使用标准差为的高斯分布 。在神经网络的学习中，权重初始值非常重要。很多时候权重初始值的设定关系到神经网络的学习能否成功。

Batch Normalizatio 

     为了使各层激活值分布拥有适当的广度，“强制性”地调整激活值的分布。Batch Norm有以下优点：

• 可以使学习快速进行（可以增大学习率）。

• 不那么依赖初始值（对于初始值不用那么神经质）。

• 抑制过拟合（降低Dropout等的必要性）。

      Batch Norm，顾名思义，以进行学习时的mini-batch为单位，按minibatch进行正规化。具体而言，就是进行使数据分布的均值为0、方差为1的正规化。

 正则化

     发生过拟合的原因，主要有以下两个。

• 模型拥有大量参数、表现力强。
• 训练数据少。

     权值衰减是一直以来经常被使用的一种抑制过拟合的方法。该方法通过在学习的过程中对大的权重进行惩罚，来抑制过拟合。很多过拟合原本就是因为权重参数取值过大才发生的。L2 范数、L1范数、L∞范数都可以用作正则化项，它们各有各的特点，不过这里我们要实现的是比较常用的L2范数。

     Dropout 是一种在学习的过程中随机删除神经元的方法。训练时，随机选出隐藏层的神经元，然后将其删除。被删除的神经元不再进行信号的传递，如图所示。

        机器学习中经常使用集成学习。所谓集成学习，就是让多个模型单独进行学习，推理时再取多个模型的输出的平均值。用神经网络的语境来说，比如，准备5个结构相同（或者类似）的网络，分别进行学习，测试时，以这5 个网络的输出的平均值作为答案。

超参数的最优化

      超参数的最优化的内容：

      步骤1
      从设定的超参数范围中随机采样。
      步骤2
     使用步骤1 中采样到的超参数的值进行学习，通过验证数据评估识别精度（但是要将epoch 设置得很小）。

     步骤3
     重复步骤1 和步骤2（100 次等），根据它们的识别精度的结果，缩小超参数的范围。

      在超参数的最优化中，如果需要更精炼的方法，可以使用贝叶斯最优化（Bayesian optimization）。贝叶斯最优化运用以贝叶斯定理为中心的数学理论，能够更加严密、高效地进行最优化。