第十一章——训练深度神经网络

上一章我们训练了一个浅层神经网络，只要两个隐层。但如果处理复杂的问题，例如从高分辨率图像中识别上百种类的物品，这就需要训练一个深度DNN。也行包含十层，每层上百个神经元，几十万个连接。这绝不是闹着玩的：

• 首先，需要面对梯度消失（或者相对的梯度爆炸）问题，这会导致浅层很难被训练。
• 其次，这么大一个网络，训练速度很慢。
• 最后，一个包含上百万参数的模型，存在很大过拟合的风险。

11.1 梯度消失（爆炸）问题

反向传播算法会计算损失函数关于每一个参数的偏导数，然后使用梯度下降更新参数。不幸的是，反向传播时，梯度经常会逐层越来越小，导致底层权重基本保持不变，从而不能得到好的训练结果。这就是所谓的梯度消失问题。而有时候还可能发生相反的情况：很多层的权重每次修改量很大，导致不能收敛。这就是梯度爆炸问题，主要发生在RNN。更普遍的问题是，深度神经网络往往梯度不稳定，不同的层学习速度差别很大。

这一问题知道2010才有了突破性的进展。在Xavier Glorot和Yoshua Bengio的论文Understanding the Difficulty of Training Deep Feedforward Neural Networks中，作者发现了一些造成这一问题的可能因素，包括logistic sigmoid激活函数和当时流行的随机初始化方式（使用使用均值为0标准差为1的正态分布进行初始化）。他们表明，这一激活函数加上这种初始化方式，使得每一层输出的方差远大于输入。这一情况在使用均值是0.5的logistic函数时变得更为糟糕（双曲正切函数的均值是0，从而在深度网络中表现优于logistic函数）。

观察图11-1的激活函数，随着输入值的绝对值变大，函数值趋近于1和0，此时导数趋近于0。因此在方向传播时，几乎没有导数传回去。 

图11-1 Logistic激活函数

11.1.1 Xavier and He Initialization

在其论文中，Glorot and Bengio提供了一种可以显著改善该问题的建议。我们需要信号在两个方向都可以正常的流动：在前向做出预测和反向传播梯度时。我们不希望信号消失，也不希望它保障或者饱和（也就是趋近于某一个值）。为了使信号正常流动，作者主张每一层输入和输出的方差相等，并且在反向传播时梯度的方差保持不变（如果对其中的数学细节感兴趣，可以研究一下论文）。我们无法同时满足这连个条件，不过作者提供了更为宽松的约束条件，并且在实践中表现还不错，各个连接的权重必须按照如下方式初始化：

正态分布均值0，标准差$\sigma = \sqrt{\frac{2}{n_{\mbox{input}} + n_{\mbox{output}}}}$

或者，$-r$到$+r$之间的均匀分布，并且$r = \sqrt{\frac{6}{n_{\mbox{input}} + n_{\mbox{output}}}}$

其中，$n_{\mbox{input}}$和$n_{\mbox{output}}$是改成输入和输出数量。这一初始化策略称为Xavier初始化，或者Glorot初始化。

如果输入和输出数量大致相等，公式可以简化为$\sigma = 1/\sqrt{n_{\mbox{input}}}$，$\sigma = \sqrt{3} / \sqrt{n_{\mbox{input}}}$，这正是我们在第十章使用的。

使用Xavier初始化策略可以使训练速度得到显著提升，这正是为当今深度学习带来成果的一个技术手段。一些不久前的论文提供了类似的，针对其他激活函数的初始化策略，如表11-1所示。所有这些初始化策略有时被称作He（这是中国姓氏，但不知道是何，贺，还是和）初始化。

表11-1. 针对不同激活函数的初始化策略

11.1.2 不饱和（Nonsaturating）激活函数

$f$是不饱和函数当且仅当$\mathop{\lim}\limits_{z \to \infty} |f(z)| = +\infty$

Glorot和Bengio在其2010年的论文中认为，带来梯度消失（爆炸）问题的重要原因是可供选择的激活函数太少。最初人们倾向于选择sigmoid激活函数，但事实上在神经网络中其他激活函数表现更好，尤其是ReLU。很重要的原因是ReLU对正值具有不饱和性（也就是没有上限）。

不过ReLU也并不完美，会遇到被称作dying ReLUs的问题：在训练期间，有些神经元事实上死掉了，除了0之外什么也不会输出（这里的输出，应该指的是反向传播时，高层对底层输出的梯度）。有时候一半的神经元都是死的，尤其是学习率较大的情况下。一旦出现这一情况，基本上就不能恢复过来了，因为当ReLU的输入是负数时，其梯度是0。

为了解决这一问题，可以使用ReLU的变体，比如leaky ReLU（如图11-2）。$\mbox{LeakyReLU}_{\alpha}(z) = max(\alpha z, z)$。其中，超参数$\alpha$定义了输入为负值时的倾斜度，一般设置为0.01。这个小斜坡保证了leaky ReLU不会死掉，不过也就可能进入长期的昏迷。毕竟还活着，长期昏迷后还是有可能苏醒过来的。

图11-2 Leaky ReLU

Djork-Arné Clevert等人在其2015年的一篇论文中提出了一种称为exponential linear unit (ELU)的新的激活函数，表现好过ReLU的所有变体。

\begin{align*}
\mbox{ELU}_{\alpha}(z) = \left\{\begin{matrix}
\alpha(\exp(z) - 1) &\mbox{if} &z < 0 \\
z &\mbox{if} & z \geq 0
\end{matrix}\right.
\end{align*}

图11-3 ELU激活函数

选择激活函数时，一般ELU > leaky ReLU (及其变种) > ReLU > tanh > logistic。如果你更关心运行时表现，leaky ReLU要优于ELU。

11.1.3 Batch Normalization

尽管He initialization搭配ELU可以缓解训练初期的梯度消失（爆炸）问题，但是并不能保证在整个训练周期都不会出现这一问题。Sergey Ioffe和Christian Szegedy在其2015年的论文中提出了一种被称作Batch Normalization (BN)的解决方案。比梯度消失（爆炸）更一般的问题是，由于前层参数的变化，造成后层输入数据分布变化的问题（他们称为Internal Covariate Shift问题）。

该技术就是在每一层应用激活函数之前，增加一些操作。首先对数据进行简单的zero-centering和normalizing（其实就是转换成均值为0，标准差为1的数据），然后使用两个参数对数据进行scaling和shifting（缩放和平移）操作。换句话说，这两步就是让模型学习每层输入最优的scale（规模）和均值。

批规范化算法（Batch Normalization algorithm）：

其中，

• $\mu_B$是经验均值，在整个mini-batch上进行评估。
• $\sigma_B$是经验标准差，也是在整个mini-batch上评估的。
• $m_B$是mini-batch的实例数。
• $\hat{X}^{(i)}$是zero-centered和normalized后的输入数据。
• $\gamma$是该层的scaling参数。
• $\beta$是该层的shifting参数。
• $\epsilon$是为了避免除零的，通常为$10^{-3}$，也被称为平滑系数。
• $Z^{(i)}$是BN操作的输出。

在测试阶段，不存在mini-batch来计算经验均值和标准差，简单地使用整个训练集的均值和标准差即可。 These are typically efficiently computed during training using a moving average.（这句话没看懂。moving average是一种快速计算均值和标准差的技术？）所以，每个batch-normalized层需要学习四个参数：$\gamma$(scale)，$\beta$(offset)，$\mu$(mean)和$\sigma_B$(standard deviation)。

作者宣称，该技术提升了他们实验所采用的所有深度学习网络。梯度消失问题得到了明显的环境，以至于可以使用饱和激活函数，比如tanh，甚至是logistic激活函数。网络对权重初始值的敏感度也明显降低。他们也可以提到学习率来加快训练速度。此外，Batch Normalization也充当了正则化的角色，减少其他正则化技术的使用（比如后面章节将会介绍的dropout）。

当然，该技术有利也有弊——其增加了模型复杂度，这是一种运行时惩罚：额外的计算导致预测缓慢。所以，如果更在意预测效率的话，最好还是选择ELU + He initialization。

然后是Batch Normalization的TensorFlow实现，代码可参考作者的GitHub。

11.1.4 Gradient Clipping

减轻梯度爆炸的一项技术是使反向传播的梯度不超过某个阈值（这在训练rnn时比较有用）。 这一技术称为Gradient Clipping。现在人们更喜欢Batch Normalization，不过了解一下Gradient Clipping还是有帮助的。

11.2 Reusing Pretrained Layers

如果训练一个大型的DNN，一般都不会从零开始，而是找到一个已经训练好的，与你的任务相似的模型。复用旧模型的底层，这称为transfer learning。这不仅会加快训练速度，而且需要更少的训练数据。

图11-4 Reusing pretrained layers

在上图中，如果新旧模型训练数据的结构不一致，那就需要增加一步预处理，将数据的格式转换为就模型需要的。一般情况下，transfer learning在输入值具有相似的低级别特征时表现良好。

11.2.1 Reusing a TensorFlow Model

讲解在原始模型使用TensorFlow时，新的模型如何复用。

11.2.2 Reusing Models from Other Frameworks

讲解如果模型是其他框架实现的，在TensorFlow中如何复用。

11.2.3 Freezing the Lower Layers

就是冷冻住低层级的参数，使其在反向传播时不被更新。

11.2.4 Caching the Frozen Layers

如果使用了11.2.3的技术，由于前面几层的参数是不变的，可以将最高冷冻层的输出值缓存起来，不用每次前向传播都去计算。这可以提高训练速度。

11.2.5 Tweaking, Dropping, or Replacing the Upper Layers

原始模型的输出层会被替换掉，因为它一本对新任务来讲是没用的，甚至与新任务输出值的个数都不匹配。类似的，原始模型的高级隐层对新任务的用处较小。我们需要找到适合复用的层数。

首先复用所有层，训练模型并评估其表现。然后解冻一个或两个隐层，训练之后观察其表现是否提升。训练数据越多，就解冻越多的层。

11.2.6 Model Zoos

这就是模型仓库，可以找到别人训练好的模型。

TensorFlow的model zoo位于https://github.com/tensorflow/models。包含目前最先进的图像分类网络，比如VGG, Inception, and ResNet。

另一个是Caffe’s Model Zoo：https://github.com/BVLC/caffe/wiki/Model-Zoo。

11.2.7 Unsupervised Pretraining

假设你要处理一个复杂的任务，并且没有足够带标签的训练数据。并且的是，也找不到针对类似任务训练好的模型。不要绝望！首先，你当然应该收集更多的带标签数据，如果这很困难或者很昂贵，仍然可以使用unsupervised pretraining完成任务（如图11-5）。这就是说，如果你有大量的无标签数据，那就可以一层层地训练，使用无监督特征检测（feature detector）算法，比如Restricted Boltzmann Machines或者autoencoders。等到所有层都训练完成，就可以使用监督学习对网络进行微调。

图11-5 Unsupervised pretraining

这是一个漫长乏味的过程，但是往往表现良好。事实上，这一技术正是Geoffrey Hinton及其团队在2016年使用并带来了神经网络的复兴以及深度学习的成功。

11.2.8 Pretraining on an Auxiliary Task

另外一个选择是，首先训练一个辅助的模型，该模型的标签数据可以轻易生成，然后复用底层来训练模型实现真正的任务。

比如，你想建立一个人脸识别系统，并且没有太多的带标签数据。不过你可以在网络随机搜集一些照片，并训练一个模型来识别不同的照片中是否是同一个人。第一个模型会学习到识别人脸的优秀特征，这可以在第二个模型中复用，并减少第二个模型所需的训练数据。

11.3 Faster Optimizers

这一小节的结论是，用AdamOptimizer替换掉GradientDescentOptimizer就行了。我先跳过了，后面有时间再补上这几个优化算法。

11.4 Avoiding Overfitting Through Regularization

神经网络往往参数很多，自由度很大，太容易过拟合，所以应该使用一些正则化技术防止过拟合。

11.4.1 Early Stopping

这在第四章介绍过，就是在校验集表现最好时终止训练。

11.4.2 $l_i$和$l_2$正则

这个也和第四章的意义，跟传统机器模型的方式一样。

11.4.3 Dropout

当前深度神经网络最受欢迎的正则化技术大概就是dropout了。它首先由G. E. Hinton在2012年提出，并由Nitish Srivastava在其论文中完善。该技术取得了巨大成功。

这是一个很简单的算法：在每一步训练，所有神经元（包括输入神经元但不包括输出神经元）都有一个可能“dropped out”的概率$p$，意味着本次训练它可能会被忽视，但在下次训练有可能会被激活。超参数$p$被称作dropout rate，一般被设置为50%。训练结束后，神经元不再被忽视。

起初可能觉得吃惊，这一蛮横的算法居然表现良好。我们现在假设，一家公司通过抛硬币决定每个员工是否上班。很明显这家公司要改编其组织架构。任何工作都不能依赖于单独一个人，所以专业技术需要传授给很多人。雇员必须学着与同事合作。如果某员工退出，影响不会太大。虽然不知道这一思想是否适用于公司运营，但其确实适用于神经网络的训练。神经元将对输入值的轻微变化不再敏感，最终会得到一个更加鲁棒，更容易一般化的神经网络。

理解dropout巨大威力的另一个途径就是理解，每一步训练其实都在生成一个不同的神经网络。由于每个神经元都可能出席或者缺席，总共有$2^N$（其中，$N$是可忽视神经元总数）种可能的网络。如果训练10000步，本质上就是训练了10000个神经元。最终的神经元可以看成是这些单独神经元的一个averaging ensemble。

还有一个技术细节。假设$p$ = 50%，在这种情况下测试阶段的神经元数量是训练阶段的两倍。为了弥补这一问题，我们需要在训练结束后对连接权重乘以0.5。更一般的，我们需要在训练结束后对连接权重乘以keep probability (1 – p)。

如果观察到模型过拟合，可以增大dropout rate。欠拟合就减小dropout rate。

Dropout会显著地降低收敛速度，但通常会得到一个更好的模型。多花费一些训练时间也是值得的。

11.4.4 Max-Norm Regularization

另外一种比较受欢迎的神经网络正则化方法是max-norm正则。对于每一个连接权重$w$，都使其满足$\left \| w \right \|_2 \leq \gamma $，其中$\gamma$是max-norm超参数。

算法实现时，一般会先计算$\left \| w \right \|_2$，如果需要的话就对其进行修剪（$w \leftarrow w\frac{r}{\left \| w \right \|_2}$）。

降低$\gamma$就可以减少过拟合的可能性。max-norm正则也可以缓解梯度消失（爆炸）问题（如果没使用Batch Normalization）。

TensorFlow并不提供现成的max-norm正则，不过作者自己实现了一个。

11.4.5 Data Augmentation

该正则化技术就是通过已经存在的训练集来生成新的训练实例。这一技巧就是生成逼真的训练数据。理想情况下，人无法区分该实例是否自动生成。简单的增加white noise并没有帮助，因为改变必须是可学习的（white noise不能被学习）。例如，根据一个图片，生成各种不同的图片，如下图所示：

 图11-10 使用现有训练样本生成新的实例

11.5 实用的指导方针

DNN默认配置：

Initialization：He initialization
Activation function： ELU
Normalization： Batch Normalization
Regularization： Dropout
Optimizer： Adam
Learning rate schedule： None

默认的配置可能需要调整：

• 如果找不到一个合适的学习率（收敛太慢，增大学习率。然后收敛加快了，但是最终的模型不是最优的），那就可以尝试增加一个learning schedule，比如exponential decay。
• 如果训练集太小，可以实现data augmentation
• 如果想要一个稀疏的模型，可以增加$l_1$正则。需要更加稀疏的话，尝试使用FTRL代替Adam优化，并配合$l_1$正则。
• 如果需要一个能够快速预测的模型，那也许就需要放弃Batch Normalization，改为ELU激活函数。稀疏的模型也能加快预测时间。