Kingma D P, Ba J. Adam: A Method for Stochastic Optimization[J]. arXiv: Learning, 2014.

@article{kingma2014adam:,

title={Adam: A Method for Stochastic Optimization},

author={Kingma, Diederik P and Ba, Jimmy},

journal={arXiv: Learning},

year={2014}}

鼎鼎大名.

主要内容

用\(f(\theta)\)表示目标函数, 随机最优通常需要最小化\(\mathbb{E}(f(\theta))\), 但是因为每一次我们都取的是一个小批次, 故实际上我们处理的是\(f_1(\theta),\ldots, f_T(\theta)\). 用\(g_t=\nabla_{\theta}f_t(\theta)\)表示第\(t\)步对应的梯度.

Adam 方法分别估计梯度\(\mathbb{E}(g_t)\)的一阶矩和二阶矩(Adam: adaptive moment estimation 名字的由来).

算法

注意: 下面的算法中关于向量的运算都是逐项(element-wise)的运算.

选择合适的参数

首先, 分析为什么会有

\[\tag{A.1}
\hat{m}_t \leftarrow m_t / (1-\beta_2^t), \\
\hat{v}_t \leftarrow v_t / (1-\beta_2^t).
\]

可以用归纳法证明

\[\tag{A.2}
m_t = (1-\beta_1) \sum_{i=1}^t \beta_1^{t-i} \cdot g_i \\
v_t = (1-\beta_2) \sum_{i=1}^t \beta_2^{t-i} \cdot g_i^2.
\]

倘若分布稳定: \(\mathbb{E}[g_t]=\mathbb{E}[g],\mathbb{E}[g_t^2]=\mathbb{E}[g^2]\), 则

\[\tag{A.3}
\mathbb{E}[m_t]=\mathbb{E}[g] \cdot(1-\beta_1^t) \\
\mathbb{E}[v_t]= \mathbb{E}[g^2] \cdot (1- \beta_2^t).
\]

这就是为什么会有(A.1)这一步.

Adam提出时的一个很大的应用场景就是dropout(正对梯度是稀疏的情况), 这是往往需要我们取较大的\(\beta_2\)(可理解为抵消随机因素).

既然\(\mathbb{E}[g]/\sqrt{\mathbb{E}[g^2]}\le 1\), 我们可以把步长\(\alpha\)理解为一个信赖域(既然\(|\Delta_t| \frac{<}{\approx} a\)).

另外一个很重要的性质是, 比如函数扩大(或缩小)\(c\)倍\(cf\), 此时梯度相应为\(cg\), 我们所对应的

\[\frac{c \cdot \hat{m}_t}{\sqrt{c^2 \cdot \hat{v}_t}}= \frac{\hat{m}_t}{\sqrt{\hat{v}_t}},
\]

并无变化.

一些别的优化算法

AdaGrad:

\[\theta_{t+1} = \theta_t -\alpha \cdot \frac{1}{\sqrt{\sum_{i=1}^tg_t^2}+\epsilon} g_t.
\]

RMSprop:

\[v_t = \beta_2 v_{t-1} + (1-\beta_2) g_t^2 \\
\theta_{t+1} = \theta_t -\alpha \cdot \frac{1}{\sqrt{v_t+\epsilon}}g_t.
\]

AdaDelta:

\[v_t = \beta_2 v_{t-1} + (1-\beta_2) g_t^2 \\
\theta_{t+1} = \theta_t -\alpha \cdot \frac{\sqrt{m_{t-1}+\epsilon}}{\sqrt{v_t+\epsilon}}g_t \\
m_t = \beta_1 m_{t-1}+(1-\beta_1)[\theta_{t+1}-\theta_t]^2.
\]

注: 均为逐项

AdaMax

本文还提出了另外一种算法





理论

不想谈了, 感觉证明有好多错误.

代码



import numpy as np

class Adam:

    def __init__(self, instance, alpha=0.001, beta1=0.9, beta2=0.999,
epsilon=1e-8, beta_decay=1., alpha_decay=False):
""" the Adam using numpy
:param instance: the theta in paper, should have the grad method to call the grads
and the zero_grad method for clearing the grads
:param alpha: the same as the paper default:0.001
:param beta1: the same as the paper default:0.9
:param beta2: the same as the paper default:0.999
:param epsilon: the same as the paper default:1e-8
:param beta_decay:
:param alpha_decay: default False, if True, we will set alpha = alpha / sqrt(t)
"""
self.instance = instance
self.alpha = alpha
self.beta1 = beta1
self.beta2 = beta2
self.epsilon = epsilon
self.beta_decay = beta_decay
self.alpha_decay = alpha_decay
self.initialize_paras() def initialize_paras(self):
self.m = 0.
self.v = 0.
self.timestep = 0 def update_paras(self):
grads = self.instance.grad
self.beta1 *= self.beta_decay
self.beta2 *= self.beta_decay
self.m = self.beta1 * self.m + (1 - self.beta1) * grads
self.v = self.beta2 * self.v + (1 - self.beta2) * grads ** 2
self.timestep += 1
if self.alpha_decay:
return self.alpha / np.sqrt(self.timestep)
return self.alpha def zero_grad(self):
self.instance.zero_grad() def step(self):
alpha = self.update_paras()
betat1 = 1 - self.beta1 ** self.timestep
betat2 = 1 - self.beta2 ** self.timestep
temp = alpha * np.sqrt(betat2) / betat1
self.instance.parameters -= temp * self.m / (np.sqrt(self.v) + self.epsilon) class PPP: def __init__(self, parameters, grad_func):
self.parameters = parameters
self.zero_grad()
self.grad_func = grad_func def zero_grad(self):
self.grad = np.zeros_like(self.parameters) def calc_grad(self):
self.grad += self.grad_func(self.parameters) def f(x):
return x[0] ** 2 + 5 * x[1] ** 2 def grad(x):
return np.array([2 * x[0], 100 * x[1]]) if __name__ == "__main__": x = np.array([10., 10.])
x = PPP(x, grad)
xs = []
ys = []
optim = Adam(x, alpha=0.4)
for i in range(100):
xs.append(x.parameters.copy())
y = f(x.parameters)
ys.append(y)
optim.zero_grad()
x.calc_grad()
optim.step()
xs = np.array(xs)
ys = np.array(ys)
import matplotlib.pyplot as plt
fig, (ax0, ax1)= plt.subplots(1, 2)
ax0.plot(xs[:, 0], xs[:, 1])
ax0.scatter(xs[:, 0], xs[:, 1])
ax0.set(title="trajectory", xlabel="x", ylabel="y")
ax1.plot(np.arange(len(ys)), ys)
ax1.set(title="loss-iterations", xlabel="iterations", ylabel="loss")
plt.show()

ADAM : A METHOD FOR STOCHASTIC OPTIMIZATION的更多相关文章

  1. Stochastic Optimization Techniques

    Stochastic Optimization Techniques Neural networks are often trained stochastically, i.e. using a me ...

  2. TensorFlow 深度学习笔记 Stochastic Optimization

    Stochastic Optimization 转载请注明作者:梦里风林 Github工程地址:https://github.com/ahangchen/GDLnotes 欢迎star,有问题可以到I ...

  3. Stochastic Optimization of PCA with Capped MSG

    目录 Problem Matrix Stochastic Gradient 算法(MSG) 步骤二(单次迭代) 单步SVD \(project()\)算法 \(rounding()\) 从这里回溯到此 ...

  4. (转) An overview of gradient descent optimization algorithms

    An overview of gradient descent optimization algorithms Table of contents: Gradient descent variants ...

  5. PyTorch-Adam优化算法原理,公式,应用

    概念:Adam 是一种可以替代传统随机梯度下降过程的一阶优化算法,它能基于训练数据迭代地更新神经网络权重.Adam 最开始是由 OpenAI 的 Diederik Kingma 和多伦多大学的 Jim ...

  6. An overview of gradient descent optimization algorithms

    原文地址:An overview of gradient descent optimization algorithms An overview of gradient descent optimiz ...

  7. Adam优化算法

    Question? Adam 算法是什么,它为优化深度学习模型带来了哪些优势? Adam 算法的原理机制是怎么样的,它与相关的 AdaGrad 和 RMSProp 方法有什么区别. Adam 算法应该 ...

  8. Adam 算法

    简介 Adam 是一种可以替代传统随机梯度下降(SGD)过程的一阶优化算法,它能基于训练数据迭代地更新神经网络权重.Adam 最开始是由 OpenAI 的 Diederik Kingma 和多伦多大学 ...

  9. 从 SGD 到 Adam —— 深度学习优化算法概览(一) 重点

    https://zhuanlan.zhihu.com/p/32626442 骆梁宸 paper插画师:poster设计师:oral slides制作人 445 人赞同了该文章 楔子 前些日在写计算数学 ...

随机推荐

  1. 「Spark从精通到重新入门(一)」Spark 中不可不知的动态优化

    前言 Apache Spark 自 2010 年面世,到现在已经发展为大数据批计算的首选引擎.而在 2020 年 6 月份发布的Spark 3.0 版本也是 Spark 有史以来最大的 Release ...

  2. ubuntu18.10搜狗输入法的安装

    记录一下 1.卸载ibus ubuntu默认使用ibus管理输入法,官方推荐使用fcitx.我们先卸载ibus sudo apt-get remove ibus 清除ibus配置,如果没有设置 sud ...

  3. Codeforces Round #754 (Div. 2) C. Dominant Character

    题目:Problem - C - Codeforces 如代码,一共有七种情况,注意不要漏掉  "accabba"  , "abbacca"  两种情况: 使用 ...

  4. mybatis-plus分页记坑

    mapper接口方法返回IPage,如果不传page会报npe,底层assert page!=null有啥用?

  5. 页面屏蔽backspace键

    1 //页面加载完成 2 $(document).ready(function(){ 3 //禁止退格键 作用于Firefox.Opera 4 document.onkeypress = banBac ...

  6. 【编程思想】【设计模式】【行为模式Behavioral】registry

    Python版 https://github.com/faif/python-patterns/blob/master/behavioral/registry.py #!/usr/bin/env py ...

  7. 统计网卡流量的两段shell脚本(使用ifconfig)

    一个很小巧的shell脚本,使用ifconfig的不间断输出来统计网卡的流量,有需要的朋友可以参考下 使用shell脚本计算Linux网卡流量,方法中最关键点: ifconfig $eth_name ...

  8. 【Java 基础】java 创建对象时重写方法

    TransactionLock mockLock = new TransactionLock() { public boolean lock(String id) { return true; } p ...

  9. C#深入理解多态

    1.里氏替换原则 1.里氏替换原则:在一个软件系统中,如果子类出现在父类出现的位置,而整个软件功能又没有影响,那么咱们称为里氏替换. 2. 考试题:父类变量指向子类对象!! 3.里氏替换  是     ...

  10. Linux用户家目录被删除救回

    一.说明 家目录被删除,如果直接新建一个目录,用户是不识别的 二.操作 1.随便先创建一个用户,需要用到他的一些文件 useradd test 2.假如admin用户的家目录没了,需要修复 cd te ...