2022-06-04 深度学习Python笔记

1. nn.init.xavier_uniform_(tensor: Tensor, gain:float =1.) -> Tensor: Glorot initialization,深度神经网络权重初始化(weight initialization)的方法之一,权重的初始化对模型的收敛速度和性能有重要影响。

    初始化为0的方法对于线性回归,逻辑斯蒂回归有较好的性能,但是对于神经网络,每一层神经元学到的东西都一样(y = h(w*x + b), 当w=0时,y = b),所以不适用;

    随机初始化(random initialization),Xavier Glorot、Yoshua Bengio在论文中提到:“We find that the logistic sigmoid activation is unsuited for deep networks with random initialization because of its mean value, which can drive especially the top hidden layer into saturation.”,逻辑斯蒂sigmoid激活函数不适合于带随机初始化的深度网络,因为sigmoid函数的均值会导致特别是使得高级隐藏层陷入饱和状态(激活函数饱和表示激活函数的导数接近为0,请参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/355377742),激活函数输出值接近于0会导致梯度非常接近于0,会导致梯度消失

    而Glorot初始化为了解决随机初始化的问题提出来的另一种初始化方法,其思想就是尽可能的让输入和输出服从相同的分布,即保持输入和输出的方差一致(https://zhuanlan.zhihu.com/p/133190518),在torch的实现中,张量值(激活函数的值)的分布:U( − a, a),其中a = gain × √((6)/( fan_in + fan_out)),gaini为一个可选择的比例因子,fan_in本层的输入单元数,fan_out是本层的输出单元数。论文中的公式为:

image1

Glorot initialization对于tanh效果好而ReLU效果不理想,凯明大神提出了针对ReLU的初始化方法:He initialization.

2. torch.tensor.size与torch.tensor.shape: torch.tensor.size得到张量某一维度的大小,返回类型为int, 而torch.tensor.shape得到某一维度、部分维度或者所有维度的大小,返回类型为torch.Size:

例如:

a = torch.tensor([[1,2,3], [4,5,6]])

print("a.size(0):") 

print(a.size(0))

print("a.size()[0]:")

print(a.size()[0])

print("a.size(01):")

print(a.size(1))

print("type(a.size(1)):")

print(type(a.size(1)))

print("a.size()[1]:")

print(a.size()[1])

结果:

a.size(0):

2

a.size()[0]:

2

a.size(01):

3

type(a.size(1):

<class 'int'>

a.size()[1]:

3

---

print("a.shape[0:]:")

print(a.shape[0:])

print("a.shape[1:]:")

print(a.shape[1:])

print("type(a.shape[1:]):")

print(type(a.shape[1:]))

结果:

a.shape[0:]:

torch.Size([2, 3])

a.shape[1:]:

torch.Size([3])

type(a.shape[1:]):

<class 'torch.Size'>

3. torch.optim.Adam:Adam(Adaptive Moment Estimation)本质上是带有动量项的RMSprop,它利⽤梯度的⼀阶矩估计和⼆阶矩估计动态调整每个参数的学习率。它的优点主要在于经过偏置校正后,每⼀次迭代学习率都有个确定范围,使得参数⽐较平稳。

    梯度下降的问题:1). 很难选择出合适的学习率,太小网络收敛过于缓慢,太大可能会影响收敛,并导致损失函数在最小值上波动;2). 相同的学习率不适用于所有的参数更新;3).最小化非凸误差函数时,鞍点通常被相同误差值的平面所包围,这使得SGD算法很难脱离出来,因为梯度在所有维度上接近于零。

梯度下降优化算法

    梯度下降+动量(Momentum):通过优化相关方向的训练和弱化无关方向的振荡,来加速SGD训练。在累计梯度过程中:震荡方向上的梯度在累加过程中相互抵消,而梯度小的方向一直累加逐渐增大。

梯度下降+动量项优化算法:改变梯度的值

    Adagrad: 通过参数来调整合适的学习率η,对稀疏参数进行大幅更新和对频繁参数进行小幅更新。因此,Adagrad方法非常适合处理稀疏数据。通过累计平方梯度,使得震荡方向上的步长很小,梯度小的方向步长增大。

Adagrad优化算法:改变步长

梯度下降+动量和Adagrad分别通过改变梯度与步长的方法,解决马鞍震荡问题而改道走马鞍中间的道路下去。但是一但找到合适的路时,Adagrad步长会越来越小,模型学习就会缓慢 ,因为Adagrad是累计平方梯度,rk会记住之前所有走过的路,所以在更新参数时,分母越来越大,导致步长越来越小,此时就失去了调节作用。

RMSProp: 使用了累计平方梯度的滑动平均,RMSProp修改了Adagrad,让方法不那么激进。衰减系数ρ是一个超参数,常用[0.9,0.99,0.999]。在累计平方梯度步骤中,累计平方梯度r乘以小于1的ρ之后,就会衰减(忘掉之前走过的路),步长就不会衰减的太快。

RMSProp优化算法

Adam:计算累计梯度使用了梯度下降+动量的方法,累计平方梯度使用了RMSProp的方法。同时又对累计梯度和累计平方梯度做了修正,避免了冷启动问题。冷启动是刚开始学习的时候,梯度,步长都很小,不利于算法学习,需要先大后小。

v0=0, r0=0, ρ0=0.999, α0=0.9

经过修正(距估计)v1, r1变大。

Adam优化算法
不同最优化方法效果
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