Convolutional Neural Networks for Visual Recognition 6

-###Learning

前面，我们介绍了神经网络的构成，数据的预处理，权值的初始化等等。这一讲，我们将要介绍神经网络参数学习的过程。

Gradient Checks

梯度的运算，在理论上是简单的，但是在实际的应用中，却非常容易出错，梯度的运算常见的有如下两种形式：

形式一：

df(x)dx=f(x+h)−f(x)h

h是一个很小的常数，实际运算的时候，h大概等于1e−5，但我们通常会用下面这种形式计算梯度：

形式二：

df(x)dx=f(x+h)−f(x−h)2h

利用这个表达式，需要我们对loss function做两次评估，但是这样求得的梯度会更加精确。而我们在比较梯度的解析解与数值解时，会使用如下的表达式：

|f′a−f′n||f′a|+|f′n|

我们利用两者的相对误差，来衡量两种计算结果的接近程度。如果相对误差大于1e−2，意味着这个梯度的运算有问题，相对误差在1e−4到1e−2之间，可能会让你感到不适，而如果相对误差小于1e−4对于使用非平滑的激励函数来说，这个结果是可以接受的，如果使用平滑的激励函数(tanh,softmax等)那么这个误差还是太高了，误差小于1e−7这是一个理想的值，意味着梯度运算非常正常。当然，梯度的相对误差与网络的结构也有很大关系，对于深度网络来说，由于误差的传递性，随着网络的深度增加，误差也会变大，所以这个时候1e−2可能就是一个不错的值了。

梯度运算不准确的另外一个隐患就是非平滑函数的引入，有些激励函数并非处处可导，比如RLU 函数，Leak ReLU 函数等，他们存在一些不可导的“拐点”，而在数值运算的时候，有可能会越过这些拐点，而导致梯度的运算出现偏差。

h的值不一定越小越好，h太小，可能会遇到数值运算的数据精度问题，一般来说我们会将h设定在1e−4到1e−6之间。同样还要注意的是，我们检查梯度的时候，可能是在某些神经元上做检查，但是某些神经元上的梯度正常，不意味着整个网络的梯度都正常，所以比较保险的方式是将网络先“预热”一段时间，即让网络先运行一段时间，然后再检查梯度。如果一开始就做梯度检查，可能未能察觉到病态的网络。

由于目标函数的loss包括两部分，一个是data loss，还有一个是regularization loss，我们需要注意，不能让regularization loss部分完全盖过了data loss，以免data loss完全不起任何作用，检查梯度的时候，可以先屏蔽掉regularization loss，先检查data loss的梯度部分，然后再反过来，检查regularization loss的梯度。做梯度检查的时候，可以先关掉drop out的功能，保证所有的神经元都处于active的状态。实际的运算中，梯度可能有几百万个变量，我们可以检查其中的一部分，并且假设剩下的部分也是正确的，而且做检查的时候，可以用少量的训练样本做检查。

在正式训练网络之前，我们对目标函数的loss要有一个大概的估计，我们可以先去掉regularization loss，让data loss的值符合我们大致的预期，如果loss未能到达我们的预期，可能权值的初始化有问题。另外一个trick就是先训练一个小的训练集，保证训练的error能到0，这个可以用来检测网络是否正常运行。

Babysitting the learning process

在训练的过程中，我们要利用一些合理的指标来检测训练是否有效，我们可以用二维图来表示这些指标，一般来说图的x坐标总是训练周期，一个周期表示每个训练样本都已经在网络中出现过一次，周期的次数，就表示训练样本在网络中出现的次数。我们不用迭代次数来表示x坐标，因为迭代次数与训练集的大小以及每个batch的大小有关。

第一个指标是loss function，它直接反应了训练的误差，如上图所示。左图给出了loss与learning rate之间的关系，并且告诉了我们什么是合适的learning rate。我们可以看到，太低的learning rate会使loss几乎层线性下降，而太高的learning rate会使loss反而上升。而learning rate稍微偏高的话，loss下降会很快，但是最后会收敛到一个较高的loss。右图给出了在CIFRA-10上的训练结果，这是一个看起来比较合理的loss，虽然有可能batch size可能偏小，因为loss看起来随机抖动的有点剧烈。一般来说，loss中的起伏和batch size有关，batch size太小，loss的起伏会很大。

第二个指标是训练与验证的正确率，如下图所示：

这个告诉了我们网络是否有可能出现overfitting的问题，根据这个指标，可以考虑调整regularization loss的比重，或者收集更多的训练样本。

最后一个指标是权重与权值更新的比率，如下图所示。神经网络的每一层都有权值，这些权值的更新幅度与learning rate有关，通过查看权值与权值更新的比率，可以看到learning rate的大小。下图给出了一个两层的神经网络中，W1的权值与权值更新随训练周期的变化，左图给出的是每个训练周期里，W1的最大值与最小值的变化，右图是最大值与最小值对应的权值更新的变化，权值的幅度在0.02左右，而权值更新的幅度在0.0002左右，所以他们的比率为0.01。

Activation / Gradient distributions per layer

一个糟糕的初始化将会导致一个很糟糕的训练结果，反应初始化最好的指标就是每一层激励函数的方差和梯度的方差，一个不合理的初始化将导致方差逐渐减少，这对梯度的传递时非常不利的，一个合理的初始化应该保证每一层的方差比较接近。如果每一层的权值都是简单的从高斯分布中随机抽取，会导致方差逐渐减少，更加有效的初始化是对每一层的权值做一个尺度变换。

最后，如果我们是处理图像，一个简单有效的方法是将图像可视化，如下图所示：左边的图表明噪声很多，说明网络可能没有收敛地很好，而右边的图看起来要平滑地多，说明网络很好地收敛了。

Parameters Updates

下面我们介绍几种参数跟新的方式，我们假设W是权值，ΔW是更新的权值，α表示learning rate，learning rate 是一个hyperparameter 也是一个常数。最常见的一种更新方式是 Vanilla update，如下所示：

Vanilla update：W=W−α⋅ΔW

Momentum update 是另外一种更新方式，而且在深度神经网络中的收敛性能很好，它在物理学上有一个直观的解释，我们可以假设将一个粒子放在一个山坡的某处，那么loss就是山坡的高度，而网络的初始化相当于将粒子放置在山坡的某处，并且让其初始速度为0，那么粒子沿着山坡滚下来的过程就类似网络的优化过程，我们假设粒子受到的力为F，粒子受到的力就相当于loss函数的梯度，因为F=ma，所以粒子的加速度就直接反应在梯度上面，而我们知道v=v+at，所以梯度会改变更新的速率，因为其表达式如下：

Momentum update： v=μ⋅v−α⋅ΔW;W=W+v

这里v的初始值为0，μ也是一个hyperparameter，一般称为momentum，一般取值0.9，交叉验证的时候，我们会给μ取不同的值，比如(0.5,0.9,0.95,0.99)。

Nesterov Momentum与Momentum update略有不同，Nesterov Momentum的核心思想是，当权值处在某个位置时，利用上面介绍的Momentum update，我们知道权值下一步的位置会是W+μ⋅v，所以我们可以直接计算下一步权值的梯度，利用这个来进行更新，所以表达式如下所示：

Nesterov Momentum：Wnew=W+μ⋅vv=μ⋅v−α⋅ΔWnewW=W+v

在实际使用的时候，有人也会将Nesterov Momentum做一些改变，使得与前两种形式接近，比如：

vprev=vv=μ⋅v−α⋅ΔWW=W−μ⋅vprev+(1+μ)v

在参数更新中，也可以用二阶导数做更新，就是牛顿法，但是这种方法目前并不常见，比起一阶梯度下降，二阶要复杂地多，所以这里不再详细介绍。

Annealing the learning rate

在深度神经网络的训练中，learning rate的调整是非常重要的，随着训练周期的延长，网络越来越靠近最优解，所以learning rate要随着训练能够做出调整，目前比较常用的有三种调整方法：

1：Step decay 这种方法就是每隔几个训练周期对learning rate做一次调整，比如减少一半。这些都取决于具体的问题。
2：Exponential decay 这种方法就是让learning rate以指数形式调整，α=α0e−kt
3：1/t decay α=α0/1+kt

Per-parameter adaptive learning rate methods

前面介绍的参数更新都是用统一的learning rate，有学者尝试对每个参数利用不同的learning rate做更新。Adagrad 是一种自适应的参数更新方法，如下所示：

Adagrad：C=ΔW2W=W−α⋅ΔW/C+δ−−−−−√

简单来说，Adagrad就是通过引入C使得每个参数的learning rate发生变化。

另外一种是RMSprop，形式如下：

RMSprop：C=β⋅C+(1−β)ΔW2W=W−α⋅ΔW/C+δ−−−−−√

β也是一个hyperparameter，通常取值为 [0.9, 0.99, 0.999]。

Hyperparameter optimization

大规模的神经网络的训练是非常耗时的，需要设计到很多参数的设置，比如权值的初始化，learning rate的设定，regularization loss的比重，以及drop out的比重。下面简单介绍一下在神经网络训练中会使用到的一些技巧。

1. 我们可以随机抽取一些数据做验证，而避免交叉验证，这样可以节省训练时间。

2. hyperparameter 可以在一个范围内进行设定。

3. 对hyperparameter的搜寻可以利用随机搜寻，而不用grid search。

4. 对处在边缘的hyperparameter要谨慎，有的时候我们发现hyperparameter取某个区间靠近边界的值效果很好，意味着有可能更加好的hyperparameter在这个边界附近。

5. hyperparameter的搜寻可以由粗到细，先在大范围寻找，然后缩小寻找范围。

6. 利用贝叶斯对hyperparameter做优化。

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