Tips for traing DNN (Adam,正则化,Dropout)

 

1。   一般的机器学习方法不会在train好的模型上检查training data的结果，因为DNN在training data上都没有办法获得很好的正确率，

        所以要先回头看一下要对模型做什么修改，才能使得在training set上取得比较好的正确率。

2。  在training set获得好的结果，但在testing set上获得不好的结果，这个才是overfitting，并不是说在training set获得好的结果就是overfitting。

      这个时候要回去做一些工作解决overfitting这个问题。解决overfitting的同时会使得结果在training set上的结果性能变差，这个时候要回到注意1上。

 

 

   上图中，56层的模型对比20层的模型，无论是在training set还是testing set上表现都要差，这个事情并不是Overfitting的原因，而是没有训练好（没训练好的原因：局部最小值，鞍点，平原）。
   但也不是 underfitting，模型的参数不够多，没有能力解决某一个问题。
  有意思的观点：56层的模型肯定要比20层的好，原因很简单，如果我56层前面20层和下面的20层一样，后面36层啥事也不做，至少来说他的性能要和下面的一样，因此结论就是56层的模型是没有训练好　　

 

 

 

 

 

 

 

 不同问题需要对应的方法来解决

    

Training data性能差

激活函数改进

 

 

  上面这个例子不是overfitting，如果是overfitting那么在training set获得好的结果，但在testing set上获得不好的结果。上面的曲线是training data的，在第七层的时候准确率就坏掉

  那么为什么会这样呢？

 

 

 

 首先用w变化对C的变化来表示derivatives

 

 

每通过一次sigmoid，output的变化都在衰减
因此，对input改变，其实对output（C）的影响很小

梯度消失：在输入层附近梯度小，在输出层梯度大，当参数还没有更新多少时，在输出层已经收敛了，这是激活函数sigmoidsigmoid对值压缩的问题。
也就是一个比较大的input进去，出来的output比较小，所以最后对total loss的影响比较小，趋于收敛。

 

Relu

 

 

z代表input
3.等同于无穷多的sigmoid(bias 不同)叠加的结果

那么如何vanish(消除) gradient problem

 

 

0可以从network 拿掉

 

 而之前说梯度递减也是因为sigmoid的衰减效果，而我们现在用ReLU它本身不会对增量进行递减，因为现在凡是在网络中work的神经元，其输出都等于其输入，相当于线性函数y=x。

问题：如果网络都用ReLU了，网络变成了线性的了？那NN的效果不会变得很差吗？这与我们使用深层网络的初衷不是违背了吗？

答：其实使用ReLU的NN整体还是非线性的。当每个神经元的操作域（operation region）是想相同的时，它是线性的。即当你对input只做小小的改变，不改变神经元的操作域，那NN就是线性的；

但如果对input做比较大的改变，改变了神经元的操作域，网络的架构也会变化，这样NN就是非线性的了。

另外一个问题：ReLU不能微分呀？怎么做梯度下降呀？

答：当x>0时，ReLU微分就是1，当x<0时，ReLU微分就是0。而x的值一般不太可能恰好是0，所以不在x=0时的微分值也没问题。

 

 

 很简单，防止小于零的输入求导后为0。右边的进一步把0.01参数变成一个超参数。

Maxout

 

 解释Relu 是Maxout的一个特例

 

 Maxout还有其他功能

 

 

 

piecewise linear convex function：分段线性凸函数

 

 

 Training Maxout

 

 红色框中是group中大的那个，那么这个网络可以变成：

 

 

因为小的element是变为0，对网络无影响，可以去掉。这里也是一个thin and linear network。
那些没有被框起来的element是不是就没有办法被吹到？
不会，不同的输入的时候，group中的最大值是不一样的，我们的train set有很多笔data，每次不同的data输入，网络的结构都不一样，每个element都会被train到

 

Adagrad的优化RMSProp

 

 

 

 

 

 

 在复杂网络里面出现局部minima的几率很低，因为无论是局部还是全局的minima，在这个点上的各个dimension的偏导都为0，复杂网络中的dimension这么多，

 所以同时出现这个情况的几率比中六合彩还低，所以一旦出现，就是全局minima

 

Momentum 推进力

 

 

 

 

 

 

 

 

Momentum相当于利用指数加权平均给Loss function加入了一个惯性，RMSprop给△梯度加了摩擦力。

 

Adam

实际上是RMSProp + Momentum，

 

 

 

torch.optim优化算法理解之optim.Adam()

 

torch.optim是一个实现了多种优化算法的包，大多数通用的方法都已支持，提供了丰富的接口调用，未来更多精炼的优化算法也将整合进来。
为了使用torch.optim，需先构造一个优化器对象Optimizer，用来保存当前的状态，并能够根据计算得到的梯度来更新参数。
要构建一个优化器optimizer，你必须给它一个可进行迭代优化的包含了所有参数（所有的参数必须是变量s）的列表。 然后，您可以指定程序优化特定的选项，例如学习速率，权重衰减等。

optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr = 0.01, momentum=0.9)
optimizer = optim.Adam([var1, var2], lr = 0.0001)
self.optimizer_D_B = torch.optim.Adam(self.netD_B.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.beta1, 0.999))

Optimizer还支持指定每个参数选项。 只需传递一个可迭代的dict来替换先前可迭代的Variable。dict中的每一项都可以定义为一个单独的参数组，参数组用一个params键来包含属于它的参数列表。其他键应该与优化器接受的关键字参数相匹配，才能用作此组的优化选项。

optim.SGD([
                {'params': model.base.parameters()},
                {'params': model.classifier.parameters(), 'lr': 1e-3}
            ], lr=1e-2, momentum=0.9)

如上，model.base.parameters()将使用1e-2的学习率，model.classifier.parameters()将使用1e-3的学习率。0.9的momentum作用于所有的parameters。
优化步骤：
所有的优化器Optimizer都实现了step()方法来对所有的参数进行更新，它有两种调用方法：

（1）optimizer.step()

这是大多数优化器都支持的简化版本，使用如下的backward()方法来计算梯度的时候会调用它。

for input, target in dataset:
    optimizer.zero_grad()
    output = model(input)
    loss = loss_fn(output, target)
    loss.backward()
    optimizer.step()

（2） optimizer.step(closure)

 

一些优化算法，如共轭梯度和LBFGS需要重新评估目标函数多次，所以你必须传递一个closure以重新计算模型。 closure必须清除梯度，计算并返回损失。

for input, target in dataset:
    def closure():
        optimizer.zero_grad()
        output = model(input)
        loss = loss_fn(output, target)
        loss.backward()
        return loss
    optimizer.step(closure)

Adam算法：https://blog.csdn.net/kgzhang/article/details/77479737

前面是train data 效果不好的方法，下面开始讲test data 出现问题时的方法

Early Stop

 

Regulation

 

 

 

 

 

 

每次都会让wt小些
1-lam*theta <1 (1-lam*theta)wt离0会越来越近

Regularization虽然在传统机器学习中有不错的表现，但在DNN中效果不怎么样，因为在DNN中初始化参数的时候参数会比较小（接近0），然后随着训练后慢慢变化（离0越来越远），

而Regularization如上图所示，它算法思想是希望参数不要离0太远，这个效果在DNN中等同于减少参数更新次数一样样。所以在SVM中是把Regularization显式写到算法中的，因为SVM可能是一次（没有迭代）就解出结果。

意思就是说DNN天生可以迭代，如果希望参数离0近一点，可以用减少更新次数来达到同样效果。

 

 

正则化：减弱权重差异，来削弱某些突出特征的显著程度，进而减少模型复杂性
L1:wt>0,就会减去lam*theta.wt<0,就会加上lam*theta。加减的是常量，
那么最后保留的有很多接近0的值，也会有很多大的值，分布离谱。L1可以产生稀疏模型（有些稀疏等于0）
L2:wt较大时，wt下降的也会快些。（（1-lam*theta）*wt大些）削弱特征特别强的权重以减少过拟合
相反wt很小时，下降的会很慢。（（1-lam*theta）*wt小些）因此最后会保留大都是很小的值

 

 

Dropout

 

 

 

解释Dropout

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 下面举个例子来解释dropout

 

 

左边=(w1x1+w2x2+w2x2+w1x2+0)/4=(w1x1+w2x2)/2=右边
这里等于关系是因为激活函数是线性函数（ReLU，Maxout的时候dropout比较好用），如果是sigmoid函数就变成约等于

 

 

下面详细解释Dropout的特点

转载自： https://blog.csdn.net/program_developer/article/details/80737724

（1）Dropout出现的原因

 

在机器学习的模型中，如果模型的参数太多，而训练样本又太少，训练出来的模型很容易产生过拟合的现象。

在训练神经网络的时候经常会遇到过拟合的问题，过拟合具体表现在：模型在训练数据上损失函数较小，预测准确率较高；但是在测试数据上损失函数比较大，预测准确率较低。

 

过拟合是很多机器学习的通病。如果模型过拟合，那么得到的模型几乎不能用。

为了解决过拟合问题，一般会采用模型集成的方法，即训练多个模型进行组合。此时，训练模型费时就成为一个很大的问题，不仅训练多个模型费时，测试多个模型也是很费时。

 

综上所述，训练深度神经网络的时候，总是会遇到两大缺点：

 

（1）容易过拟合

 

（2）费时

 

Dropout可以比较有效的缓解过拟合的发生，在一定程度上达到正则化的效果。

（2） 什么是Dropout

Dropout可以作为训练深度神经网络的一种trick供选择。在每个训练批次中，通过忽略一半的特征检测器（让一半的隐层节点值为0），可以明显地减少过拟合现象。

这种方式可以减少特征检测器（隐层节点）间的相互作用，检测器相互作用是指某些检测器依赖其他检测器才能发挥作用。

Dropout说的简单一点就是：我们在前向传播的时候，让某个神经元的激活值以一定的概率p停止工作，这样可以使模型泛化性更强，

因为它不会太依赖某些局部的特征，如下图所示

 

 

 

 

(3) Dropout具体工作流程

假设我们要训练这样一个神经网络，如下图所示。

 

 

 

输入是x输出是y，正常的流程是：我们首先把x通过网络前向传播，然后把误差反向传播以决定如何更新参数让网络进行学习。使用Dropout之后，过程变成如下：

（1）首先随机（临时）删掉网络中一半的隐藏神经元，输入输出神经元保持不变（下图中虚线为部分临时被删除的神经元）

 

 

 

（2） 然后把输入x通过修改后的网络前向传播，然后把得到的损失结果通过修改的网络反向传播。一小批训练样本执行完这个过程后，

    在没有被删除的神经元上按照随机梯度下降法更新对应的参数（w，b）。

（3）然后继续重复这一过程：

• . 恢复被删掉的神经元（此时被删除的神经元保持原样，而没有被删除的神经元已经有所更新）
• . 从隐藏层神经元中随机选择一个一半大小的子集临时删除掉（备份被删除神经元的参数）。
• . 对一小批训练样本，先前向传播然后反向传播损失并根据随机梯度下降法更新参数（w，b）（没有被删除的那一部分参数得到更新，删除的神经元参数保持被删除前的结果）。

不断重复这一过程。

(4) Dropout在神经网络中的使用

在训练模型阶段,无可避免的，在训练网络的每个单元都要添加一道概率流程，如下图所示。

 

 

 

对应的公式变化如下：

•  . 没有Dropout的网络计算公式：

 

 

 采用Dropout的网络计算公式：

 

 

 

上面公式中Bernoulli函数是为了生成概率r向量，也就是随机生成一个0、1的向量。 具体参考：https://www.cnblogs.com/tingtin/p/12286578.html

代码层面实现让某个神经元以概率p停止工作，其实就是让它的激活函数值以概率p变为0。

比如我们某一层网络神经元的个数为1000个，其激活函数输出值为y1、y2、y3、......、y1000，我们dropout比率选择0.4，

那么这一层神经元经过dropout后，1000个神经元中会有大约400个的值被置为0。

注意： 经过上面屏蔽掉某些神经元，使其激活值为0以后，我们还需要对向量y1……y1000进行缩放，也就是乘以1/(1-p)。

这里为什么要*1/(1-p):在源代码中，p为丢弃概率，那么1-p就为保留概率，缩放的时候某个点的输出期望为E(x) = (1-p)(x/(1-p)) + p * 0 = x,因此输出的时候就不用特殊处理。

如果你在训练的时候，经过置0后，没有对y1……y1000进行缩放（rescale），那么在测试的时候，就需要对权重进行缩放，操作如下。

 

在测试模型阶段

预测模型的时候，每一个神经单元的权重参数要乘以概率p。

 

 

 

 测试阶段Dropout公式：

 

 

 

(5)  为什么说Dropout可以解决过拟合？

（1）取平均的作用： 先回到标准的模型即没有dropout，我们用相同的训练数据去训练5个不同的神经网络，一般会得到5个不同的结果，

此时我们可以采用 “5个结果取均值”或者“多数取胜的投票策略”去决定最终结果。例如3个网络判断结果为数字9,那么很有可能真正的结果就是数字9，

其它两个网络给出了错误结果。这种“综合起来取平均”的策略通常可以有效防止过拟合问题。因为不同的网络可能产生不同的过拟合，

取平均则有可能让一些“相反的”拟合互相抵消。dropout掉不同的隐藏神经元就类似在训练不同的网络，随机删掉一半隐藏神经元导致网络结构已经不同，

整个dropout过程就相当于对很多个不同的神经网络取平均。而不同的网络产生不同的过拟合，一些互为“反向”的拟合相互抵消就可以达到整体上减少过拟合。

（2）减少神经元之间复杂的共适应关系： 因为dropout程序导致两个神经元不一定每次都在一个dropout网络中出现。

这样权值的更新不再依赖于有固定关系的隐含节点的共同作用，阻止了某些特征仅仅在其它特定特征下才有效果的情况 。

迫使网络去学习更加鲁棒的特征 ，这些特征在其它的神经元的随机子集中也存在。换句话说假如我们的神经网络是在做出某种预测，

它不应该对一些特定的线索片段太过敏感，即使丢失特定的线索，它也应该可以从众多其它线索中学习一些共同的特征。

从这个角度看dropout就有点像L1，L2正则，减少权重使得网络对丢失特定神经元连接的鲁棒性提高。

 

我们对keras中Dropout实现函数做一些修改，让dropout函数可以单独运行。

 

# coding:utf-8
import numpy as np
 
# dropout函数的实现
def dropout(x, level):
    if level < 0. or level >= 1: #level是概率值，必须在0~1之间
        raise ValueError('Dropout level must be in interval [0, 1[.')
    retain_prob = 1. - level
 
    # 我们通过binomial函数，生成与x一样的维数向量。binomial函数就像抛硬币一样，我们可以把每个神经元当做抛硬币一样
    # 硬币 正面的概率为p，n表示每个神经元试验的次数
    # 因为我们每个神经元只需要抛一次就可以了所以n=1，size参数是我们有多少个硬币。
    random_tensor = np.random.binomial(n=1, p=retain_prob, size=x.shape) #即将生成一个0、1分布的向量，0表示这个神经元被屏蔽，不工作了，也就是dropout了
    print(random_tensor)
 
    x *= random_tensor
    print(x)
    x /= retain_prob
    print(x)
    return x
 
#对dropout的测试，大家可以跑一下上面的函数，了解一个输入x向量，经过dropout的结果  
x=np.asarray([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],dtype=np.float32)
dropout(x,0.4)

[1 1 1 1 0 1 1 1 0 0]
[1. 2. 3. 4. 0. 6. 7. 8. 0. 0.]
[ 1.6666666 3.3333333 5. 6.6666665 0. 10.
11.666666 13.333333 0. 0. ]

 

 

函数中，x是本层网络的激活值。Level就是dropout就是每个神经元要被丢弃的概率。

注意： Keras中Dropout的实现，是屏蔽掉某些神经元，使其激活值为0以后，对激活值向量x1……x1000进行放大，也就是乘以1/(1-p)。

思考：上面我们介绍了两种方法进行Dropout的缩放，那么Dropout为什么需要进行缩放呢？

因为我们训练的时候会随机的丢弃一些神经元，但是预测的时候就没办法随机丢弃了。如果丢弃一些神经元，这会带来结果不稳定的问题，
也就是给定一个测试数据，有时候输出a有时候输出b，结果不稳定，这是实际系统不能接受的，用户可能认为模型预测不准。
那么一种”补偿“的方案就是每个神经元的权重都乘以一个p，这样在“总体上”使得测试数据和训练数据是大致一样的。
比如一个神经元的输出是x，那么在训练的时候它有p的概率参与训练，(1-p)的概率丢弃，那么它输出的期望是px+(1-p)0=px。
因此测试的时候把这个神经元的权重乘以p可以得到同样的期望。

总结：

当前Dropout被大量利用于全连接网络，而且一般认为设置为0.5或者0.3，
而在卷积网络隐藏层中由于卷积自身的稀疏化以及稀疏化的ReLu函数的大量使用等原因，Dropout策略在卷积网络隐藏层中使用较少。
总体而言，Dropout是一个超参，需要根据具体的网络、具体的应用领域进行尝试。