【深度学习】吴恩达课程笔记(四)——优化算法

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【吴恩达课程笔记专栏】
【深度学习】吴恩达课程笔记(一)——深度学习概论、神经网络基础
【深度学习】吴恩达课程笔记(二)——浅层神经网络、深层神经网络
【深度学习】吴恩达课程笔记(三)——参数VS超参数、深度学习的实践层面

八、优化算法

1.优化算法介绍

当涉及深度学习优化算法时，我们通常会面临一个目标：最小化一个损失函数。这个损失函数衡量了模型预测与实际值之间的差距。为了找到最佳的模型参数，我们需要使用优化算法来调整这些参数，以便最小化损失函数。

以下是一些常用的深度学习优化算法：

1. 梯度下降（Gradient Descent）：通过计算成本函数相对于参数的梯度，并沿着梯度的反方向更新参数，以最小化成本函数。
2. 随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent, SGD）：与梯度下降类似，但是每次迭代中只使用一个样本来计算梯度，这在大型数据集上更有效。
3. 小批量梯度下降（Mini-batch Gradient Descent）：结合了批量梯度下降和随机梯度下降的优点，每次迭代使用一小批样本来计算梯度。
4. 指数加权平均数（ Exponentially weighted averages）：常用于计算梯度的指数加权平均或者计算参数的指数加权平均。
5. 动量梯度下降法 (Gradient descent of Momentum) ：梯度下降算法的一种改进版本，它结合了梯度下降和动量的概念。
6. RMSProp：通过考虑梯度的平方的指数衰减平均值来调整学习率，以应对Adagrad的学习率急剧下降问题。
7. Adam 优化算法(Adam optimization algorithm) ：在训练神经网络时有效地调整参数，并能够适应不同参数的变化情况，结合了动量梯度下降法和RMSProp算法。
8. 学习率衰减(Learning rate decay) ：在训练神经网络时逐渐降低学习率的过程。

这些算法都有各自的优劣势，适用于不同类型的深度学习任务。在实际应用中，通常需要根据具体问题和数据集的特点来选择合适的优化算法。

2.批量梯度下降（Batch Gradient Descent）

目的

批量梯度下降是为了优化模型参数，使得损失函数达到最小值，从而实现训练数据的拟合和模型的泛化能力。

步骤

1. 初始化参数：随机初始化模型参数或采用预训练的参数作为初始值。

2. 对于整个训练样本集合进行如下操作：

   • 计算梯度：计算损失函数关于所有训练样本的参数的梯度，即
     $$\nabla J(\theta )=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m\nabla J(\theta ;x^{(i)},y^{(i)})$$

   • 更新参数：利用所有训练样本的梯度信息，按照梯度下降的更新规则来更新模型参数：
     $$\theta =\theta -\eta \cdot \nabla J(\theta )$$
     其中， ( η ) 是学习率， ( m ) 是训练样本的数量。

优点

• 可以保证收敛性，即在合理的学习率下，批量梯度下降一定可以找到全局最优解或局部最优解。

缺点

• 当训练样本很大时，计算所有训练样本的梯度会非常耗时，尤其在内存有限的情况下。
• 对于大规模数据集，批量梯度下降的计算效率较低。

3.随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent, SGD）

目的

随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent, SGD）是梯度下降法的一种变种

通过每次迭代仅利用单个训练样本的梯度信息，来更新模型参数，从而减少计算开销，并加快收敛速度。

步骤

1. 初始化参数：随机初始化模型参数或采用预训练的参数作为初始值。

2. 对于每个训练样本 (x⁽ⁱ⁾, y⁽ⁱ⁾) 进行如下操作：

   • 计算梯度：计算损失函数关于当前样本的参数的梯度，即

     $$\nabla J(\theta ;x^{(i)},y^{(i)})$$

   • 更新参数：利用当前样本的梯度信息，按照梯度下降的更新规则来更新模型参数：

     $$\theta =\theta -\eta \cdot \nabla J(\theta ;x^{(i)},y^{(i)})$$

     其中，（ η ）是学习率。

优点

• 减少计算开销：由于每次仅利用单个样本来更新参数，相比批量梯度下降，SGD在计算上更为高效。
• 适用于大规模数据集：特别适用于大规模数据集，因为每次迭代只需要处理一个样本。

缺点

• 不稳定性：由于每次迭代仅利用单个样本，使得更新方向带有较大的随机性，可能导致收敛过程不稳定。
• 学习率调整困难：学习率的选择对于SGD的影响较大，需要谨慎调整。

4.小批量梯度下降（Mini-batch Gradient Descent）

目的

小批量梯度下降是为了优化模型参数，使得损失函数达到最小值，从而实现训练数据的拟合和模型的泛化能力。

步骤

1. 初始化参数：随机初始化模型参数或采用预训练的参数作为初始值。

2. 对于每个小批量样本(x⁽ⁱ⁾, y⁽ⁱ⁾) 进行如下操作：

   • 计算梯度：计算损失函数关于当前小批量样本的参数的梯度，即
     $$\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m\nabla J(\theta ;x^{(i)},y^{(i)})$$

   • 更新参数：利用当前小批量样本的梯度信息，按照梯度下降的更新规则来更新模型参数：
     $$\theta =\theta -\eta \cdot \frac{1}{m}\sum _{i=1}^m\nabla J(\theta ;x^{(i)},y^{(i)})$$
     其中， ( η ) 是学习率， ( m ) 是小批量样本的大小。

优点

• 小批量梯度下降结合了梯度下降和随机梯度下降的优点，可以更快地收敛到局部最优解。
• 可以充分利用矩阵运算的并行性，提高计算效率。

缺点

• 需要调节的超参数更多，如学习率 ( η ) 和小批量样本的大小 ( m )。
• 需要对数据进行分批处理，增加了实现的复杂性。

理解

定义梯度下降时使用一次全部样本集合为一代。

1. batch梯度下降的 J 会不断下降；mini-batch梯度下降的 J 不一定会不断下降，但是整体呈现下降趋势。

2. 两者都需要多次遍历全部数据集才会有效果。在mini-batch中，如果只经历一代，那么梯度下降的效果虽然比batch一代好，但总体效果仍是微小的。

3. 使用mini-batch时，每重新开始遍历一次数据集，应当把数据集中的数据重新打乱分配到mini-batch中，体现出随机性

如何选择mini-batch size

1. 小训练集：使用batch gradient decent（m less than 2000）
2. 通常的minibatch size：64、128、256、512、1024

5.指数加权平均数（Exponentially Weighted Averages）

目的

指数加权平均数用于对时间序列数据进行平滑处理，以便观察数据的长期趋势。

步骤

假设给定一个序列 ( x₁, x₂, …, x_t )，其指数加权平均数 ( v_t ) 的计算方式为：

$$v_t=\beta v_{t-1}+(1-\beta )x_t$$
( 0 < 𝛽 < 1 ) 被称为平滑因子，较大的平滑因子意味着新观测值对平均数的影响更大，从而使得平均数更快地适应最新的观测值；而较小的平滑因子则意味着平均数更加稳定、更不容易受到新观测值的影响。

( v₀ ) 可以被初始化为 0 或者 x₁ ，为了在开始时确定初始的指数加权平均数值

优点

• 对不同时刻的数据赋予不同的权重，更加灵活地适应数据变化。
• 计算高效，每次更新只需要一次乘法和一次加法运算。

缺点

• 对于某些特定类型的数据，可能对异常值（outliers）过于敏感，从而影响平均值的准确性。

具体加权过程举例

假设英国去年第t天的气温是θ_t

要用一条曲线拟合温度变化，可以进行如下操作
$$\begin{gathered} v_0=0 \\ {v}_t=\beta v_{t-1}+(1-\beta ){\theta }_t \end{gathered}$$

其中 v_t 是第t天附近的 1/(1-𝛽) 天的平均天气。

为什么这么规定？

$$\begin{gathered} （1-\epsilon {）}^{1/\epsilon }约等于\frac{1}{e}（数学中一个挺重要的数） \\ 这说明\frac{1}{1-\beta }天之外的数所占的权重总共不到\frac{1}{e}，不那么值得关注了 \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} \beta =0.9 \\ (1-0.1{)}^{\frac{1}{0.1}}=0.9^{10} \\ \beta =0.98 \\ (1-0.02{)}^{\frac{1}{0.02}}=0.98^{50} \end{gathered}$$

可以看出 𝛽 越大，平均的天数越大，拟合得越粗略。

红色：𝛽=0.9；绿色：𝛽=0.98

指数加权平均的偏差修正

由于v₀=0，v₁=𝛽 v₀ + (1-𝛽) θ₁ = （1-𝛽）θ₁，前几个v_i的值会非常的小，如图中紫线。当迭代到一定数量之后，拟合才变得正常（紫线逼近绿线）。

偏差修正的目的是为了消除初始时刻的平均值对整体平均值的影响。偏差修正可以通过以下公式实现：
$$\begin{gathered} \widehat{v_t}=\frac{v_t}{1-{\alpha }^t} \\ \widehat{v_t}表示经过偏差修正后的平均值 \\ {v}_t表示未经修正的平均值 \\ \beta 为平滑因子 \\ t表示时间步 \end{gathered}$$
通过偏差修正，可以有效地减小最初几个数据点对平均值的影响，得到更加准确和稳定的指数加权平均值。

6.动量梯度下降法 (Gradient descent of Momentum)

目的

加速梯度下降过程

基本原理

传统的梯度下降法在更新参数时只考虑当前的梯度值，而动量梯度下降法引入了一个额外的动量项，用于模拟物理中的动量效应。

在每次参数更新时，动量梯度下降法会根据当前梯度和上一次的动量来计算一个更新量，并将该更新量应用于参数。更新量由两部分组成：一部分是当前梯度的方向，另一部分是上一次动量的方向。

蓝线是一般梯度下降的成本函数值迭代情况，红线是动量梯度下降法中成本函数迭代境况。

我们使用指数加权平均来计算新的dW和db。在竖直方向上，由于平均值接近0，所以动量梯度下降的竖直方向迭代值接近0 。在水平方向上，动量梯度下降的迭代值则为正常水平。
$$\begin{gathered} dw=\beta \cdot d{w}_{t-1}+(1-\beta )\cdot \frac{\partial J}{\partial w} \\ db=\beta \cdot d{b}_{t-1}+(1-\beta )\cdot \frac{\partial J}{\partial b} \\ w=w-\alpha \cdot dw \\ b=b-\alpha \cdot db \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} \beta 是动量系数,通常取0.9 \\ \alpha 是学习率 \\ J是损失函数 \\ d{w}_{t-1}和d{b}_{t-1}表示上一次的权重和偏置更新量 \\ \frac{\partial J}{\partial w}和\frac{\partial J}{\partial b}分别是损失函数对权重和偏置的偏导数 \\ w和b分别表示更新后的权重和偏置 \end{gathered}$$

7.RMSprop

目的

解决传统梯度下降法中学习率衰减过快的问题。RMSprop通过对梯度的平方进行指数加权移动平均来调整学习率，从而加速模型的训练。

优点

使用它的时候可以适当加大学习率

基本原理

如图，我们不想要绿线，而想要蓝线。

我们需要计算一个额外变量S，S等于目前数据附近水平方向或竖直方向的d_X的方差。

我们在更新数据（W、b）的时候，把原来要减掉的d_X除以这个方差，那么方差大的方向变化量就减少，方差小的方向变化量就仍处于正常水平甚至增大。

8.Adam 优化算法(Adam optimization algorithm)

简介

adam是训练神经网络中最有效的优化算法之一。它结合了momentum和RMSprop。

工作方式

1. 计算上一个梯度的指数加权平均，存储在v中。
2. 计算上一个梯度指数加权平均的平方，存储在s中。
3. 使用adam的规则更新参数。

优点

1. 通常比较节省内存（尽管还是比GD和momentum多）
2. 即使在低学习率条件下也能运行得很好

算法

$$\begin{gathered} \{\begin{array}{l}{v}_{d{W}^{[l]}}={\beta }_1{v}_{d{W}^{[l]}}+(1-{\beta }_1)\frac{\partial \mathcal{J}}{\partial W^{[l]}}\\ v_{d{W}^{[l]}}^{corrected}=\frac{v_{d{W}^{[l]}}}{1-({\beta }_1{)}^t}\\ s_{d{W}^{[l]}}={\beta }_2{s}_{d{W}^{[l]}}+(1-{\beta }_2)(\frac{\partial \mathcal{J}}{\partial W^{[l]}}{)}^2\\ s_{d{W}^{[l]}}^{corrected}=\frac{s_{d{W}^{[l]}}}{1-({\beta }_1{)}^t}\\ W^{[l]}=W^{[l]}-\alpha \frac{v_{d{W}^{[l]}}^{corrected}}{\sqrt{s_{d{W}^{[l]}}^{corrected}}+\epsilon }\end{array} \\ l=1,...,L \end{gathered}$$
其中：

• t是adam进行到的步数
• L是神经网络的层数
• 𝛽₁（建议使用0.9）和 𝛽₂（建议使用0.999）是控制两个指数加权平均的
• α 是学习率
• ε 是一个用来放置分母为0的值很小的数

9.学习率衰减(Learning rate decay)

做法

在不同的代（epoch）上使用递减的学习率

几种公式

$$\begin{gathered} \alpha =\frac{1}{1+decayrate\ast epochnum}\ast {\alpha }_0 \\ \alpha =a^{epochnum}\ast {\alpha }_0 \\ \alpha =\frac{k}{\sqrt{epochnum}}\ast {\alpha }_0 \\ 手动调整\alpha 的值 \end{gathered}$$

10.局部最优问题

1. 在神经网络规模较大、参数较多的时候，实际上很难达到局部最优点，更有可能达到的是鞍点。因此梯度下降被困在局部最优点不是很大的问题。
2. 鞍点会减缓学习速度，而momentum、RMSprop、Adam正式可以解决这种问题