2020-09-28 正则化 Regularization

1、L2正则化

可能是最常用的正则化方法了。可以通过惩罚目标函数中所有参数的平方将其实现。即对于网络中的每个权重
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向目标函数中增加一个
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其中
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是正则化强度。
L2正则化可以直观理解为它对于大数值的权重向量进行严厉惩罚,倾向于更加分散的权重向量。在线性分类章节中讨论过,由于输入和权重之间的乘法操作,这样就有了一个优良的特性:使网络更倾向于使用所有输入特征,而不是严重依赖输入特征中某些小部分特征

2、L1正则化

L1正则化是另一个相对常用的正则化方法。对于每个 权重W我们都向目标函数增加一个

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L1和L2正则化也可以进行组合:
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,这也被称作Elastic net regularizaton
L1正则化有一个有趣的性质:
它会让权重向量在最优化的过程中变得稀疏(即非常接近0)。也就是说,使用L1正则化的神经元最后使用的是它们最重要的输入数据的稀疏子集,同时对于噪音输入则几乎是不变的了。
相较L1正则化,L2正则化中的权重向量大多是分散的小数字。在实践中,如果不是特别关注某些明确的特征选择,一般说来L2正则化都会比L1正则化效果好。

3、最大范式约束(Max norm constraints)

另一种形式的正则化是给每个神经元中权重向量的量级设定上限,并使用投影梯度下降来确保这一约束。在实践中,与之对应的是参数更新方式不变,然后要求神经元中的权重向量
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有研究者发文称在使用这种正则化方法时效果更好。
这种正则化还有一个良好的性质,即使在学习率设置过高的时候,网络中也不会出现数值“爆炸”,这是因为它的参数更新始终是被限制着的。

4、随机失活(Dropout)

随机失活是一个简单又极其有效的正则化方法。该方法由Srivastava在论文Dropout: A Simple Way to Prevent Neural Networks from Overfitting中提出的,与L1正则化,L2正则化和最大范式约束等方法互为补充。在训练的时候,随机失活的实现方法是让神经元以超参数P的概率被激活或者被设置为0。

在训练过程中,随机失活可以被认为是对完整的神经网络抽样出一些子集,每次基于输入数据只更新子网络的参数。
在测试过程中不使用随机失活,可以理解为是对数量巨大的子网络们做了模型集成(model ensemble),以此来计算出一个平均的预测。

5、偏置正则化。

在线性分类器的章节中介绍过,对于偏置参数的正则化并不常见,因为它们在矩阵乘法中和输入数据并不产生互动,所以并不需要控制其在数据维度上的效果。然而在实际应用中(使用了合理数据预处理的情况下),对偏置进行正则化也很少会导致算法性能变差。这可能是因为相较于权重参数,偏置参数实在太少,所以分类器需要它们来获得一个很好的数据损失,那么还是能够承受的。

6、每层正则化。

对于不同的层进行不同强度的正则化很少见(可能除了输出层以外),关于这个思路的相关文献也很少。

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