ng-深度学习-课程笔记-6: 建立你的机器学习应用(Week1)

1 训练/验证/测试集( Train/Dev/test sets )

构建神经网络的时候有些参数需要选择，比如层数，单元数，学习率，激活函数。这些参数可以通过在验证集上的表现好坏来进行选择。

前几年机器学习普遍的做法： 把数据分成60%训练集，20%验证集，20%测试集。如果有指明的测试集，那就用把数据分成70%训练集，30%验证集。

现在数据量大了，那么验证集和数据集的比例会变小。比如我们有100w的数据，取1w条数据来评估就可以了，取1w做验证集，1w做测试集，剩下的用来训练，即98%的训练集。对于数据量过百万的数据，训练集可以占到99.5%

我们在做一个应用的时候，比如训练一个分类器识别猫，可能训练集数据都是网上爬取的，验证集和测试集都是用户上传的，这样训练集的分布和验证测试集的分布不一致。

这种情况，有一条经验法则，建议大家要确保验证集和测试集的数据来自同一分布，因为你要用验证集来评估不同的模型。而训练集因为要收集大量数据，可以采用各种方法比如网页抓取，这样会导致训练集和验证测试集分布不一致。

测试集是对模型的无偏估计，没有测试集的话就是在训练集上训练，在验证集上评估然后修改参数迭代出适用的模型。有些团队说他们的设置中只有训练集和测试集，而没有验证集。这样的训练实际上就是只有训练集和验证集，并没有用到测试集的功能。

2 偏差和方差( bias / variance )

高偏差：数据拟合的不好，欠拟合，比如在训练集和验证集上的效果都差，训练集和验证集准确率差不多

高方差：数据拟合的太好而泛化能力变差，过拟合，比如在训练集上表现好，在验证集上表现差，训练集和验证集的准确率相差甚多

高偏差和高方差：训练集上表现很差，验证集上表现更加差，训练集和验证集的准确率相差甚多。高方差和高偏差的数据样本见下图所示。

这里有个假设前提：训练集和验证集来自同一分布。

表现好不好相对于最优误差来讲的，比如猫的二分类，人能够几乎0%的错误率识别是不是猫，那么最优误差是0%，这个时候训练误差和验证误差都是16%，可以判定为高偏差。

如果一个问题的最优误差是15%，那么训练误差和验证误差都是16%，就不能说它高偏差。

3 机器学习基础( Basic recipe for machine learning )

训练集表现不好，高偏差：重新构建网络，更多隐藏层，更多隐藏单元，迭代更多次，更改优化器等等，必须做各种尝试（可能有用，可能没用）。反复尝试，直到可以拟合数据为止。如果网络空间很大，通常可以很好的拟合数据集。

过拟合，高方差：尽可能使用更多的数据，正则化，同样要做各种反复的尝试。

在深度学习早期，没办法做到只减少偏差或方差却不影响另一方。

但当前的深度学习和大数据时代，只要有足够大的网络，足够多的数据（也不一定只是这两个，只是做个假设），就可以在不影响方差的同时减少偏差。

4 正则化( Regularization )

在原始的损失函数后面加一个正则项，主要是权重w的L2范式的平方，此方法称为L2正则，实际上L2正则在进行梯度下降的时候做了一个权重衰减，从公式上可以看出。

也可以用L1正则，加上的是w的L1范式，就是绝对值相加，它可以使w稀疏，也就是w有很多0。

正则化就是对权重w进行惩罚，当w太大的时候损失函数会变大，这个时候优化为了使损失函数尽可能小就会惩罚w，减小了w的影响，使神经网络变得简单，由此来防止过拟合。

也可以这样理解，正则使得w尽量小，这个时候z就比较小，比如对于激活函数tanh来说，z比较小的时候梯度相对来说比较像一条直线，那么得到的函数相对呈线性，这样整个神经网络就不会过于复杂，由此来防止过拟合。

5 dropout正则( Dropout regularization )

除了L2正则，还可以用dropout正则来防止过拟合。

dropout会在每一层随机删除一些节点，相当于直接使某些层的权重为0，由此使得网络规模变小，得到一个精简后的网络。

对于每一个样本都会用一个精简后的网络训练，这样的话可以认为每个样本训练时的网络结构是不一样的。

具体如何实施呢？有几种方式，ng讲了常用的一种，Inverted dropout反向随机失活。

对于模型的某一层，设定一个概率keep-prob表示保留单元的概率。生成一个随机矩阵，表示每个样本和每个隐藏单元是否丢弃：$d^{[3]} = np.random.rand( d^{[3]}.shape[0],  d^{[3]}.shape[1]) < keep-prob$

过滤掉$d^{[3]}$中所有等于0的元素：$a^{[3]} = np.multiply( a^{[3]}, d^{[3]} )$

dropout后需要把所有数值除以这个保留概率（为了保证a3的期望不变）：$a^{[3]} /= keep-prob$

测试阶段不使用dropout，因为我们在测试阶段不希望输出的结果是随机的。

另一个dropout有效的直观理解是，因为对于某个单元，输入单元有可能被删除，所以神经网络不会分配太大的权重，这相当于L2正则中的收缩权重的效果，所以说dropout的功能类似于L2正则。

每层的keep-prob可以不同，对于单元数多，容易过拟合的层可以用小一点的keep-prob，对于不容易过拟合可以用大一点的keep-prob。

很多dropout的第一次成功应用是在计算机视觉领域，因为计算视觉中往往输入了过多的像素。计算机视觉的研究人员很喜欢用dropout，几乎成了默认的选择。

但是要记住，dropout是为了防止过拟合的手段，当算法过拟合的时候才使用，所以一般是用在计算视觉方面（往往没有足够的数据，容易过拟合）。

dropout的一大缺点就是代价函数不再被明确定义，每次迭代都会随机移除一些节点，很难调试梯度下降的迭代过程（绘制迭代次数和cost的函数图）。

可以在调试的时候先把keep-prob设置为1，绘制出迭代图，之后再打开dropout。

6 其它正则化方法( Other regularization methods)

数据增强（data augmentation)，对原始图像做一些翻转，裁剪，放大，扭曲等处理，产生额外的数据，这些额外的数据可能无法提供太多的信息，但是这么做没什么花费（相比于收集新数据要简单的多）。

提早停止（early stopping）， 当发现验证集降到最低开始上升的时候（表示要过拟合了），这个时候停止训练，可以理解为选择一个中等的w来防止过拟合（一开始随机初始化很小，随着训练慢慢增大）。

early stopping有一个缺点，就是它无法同时处理最小化代价和防止过拟合这两个问题（防止了过拟合，但是可能早早就停下来了，没有做到最小化代价）。

所以代替early stopping用的L2正则，这样训练的时间就可能很长，你必须尝试很多正则化参数，搜索参数的计算代价太高。而early stopping的优点就是无需尝试很多参数。个人倾向于用L2正则。

7 归一化输入( Normalizing inputs)

归一化输入需要两个步骤：零均值化和归一化方差。

零均值化：样本中的每个特征值都减去该特征　的平均值，这样每个特征的均值为0。

归一化方差：样本中每个的特征值除以该特征的方差，这样每个特征的方差为1。

值得注意的是，如果你在训练集归一化，那么在测试集要用相同的平均值和方差（训练集计算得到的）来归一化，因为我们希望在训练集和测试集上做相同的数据转换。

为什么要归一化输入特征呢？如下第1个图左侧所示，如果不归一化的话，代价函数可能是一个非常细长狭窄的函数，在训练的时候需要设置很小的步长，迭代时间会变长。

如下第1个图右侧所示，归一化后，各个特征都在相似范围内，代价函数更圆，更容易优化，梯度下降法能够使用较大的步长，更快速地迭代。

8 梯度消失，梯度爆炸，权重初始化( Vanishing / exploding gradients，Weight initialization for deep networks )

ng的例子中，训练神经网络的时候如果网络很深的话，假设权重都是1.5，传递到最后一层的y的值将会呈指数增长（因为每经过一层就会乘一个权重1.5），假设权重都是0.5，传递到最后一层的y将会变得很小很小。

这是造成梯度消失或梯度爆炸的原因，它给训练造成了很大困难。针对梯度消失或梯度爆炸，有一个不完整的解决方案，虽然不能彻底解决问题，却很有用。

考虑$z = w_1*x_1 + w_2*x_2 + ... + w_n*x_n$，为了防止z太大或太小，可以看到n越大的话，你就希望w越小，以此来平衡z，那么很合理的设定就是把w设定为1/n。

所以在某一层，初始化权重的方法就是设定值为$\sqrt{\frac{1}{n^{[l-1]}}}$，如下图所示，其中$n^{[l-1]}$表示l层的输入特征数。如果你使用的是relu激活，那么用2 / n效果会更好。

此外，还有一些其它的变种，见下右图所示。权重初始化可以看做一个超参数，但是相比于其它超参数，它的优先级比较小，一般优先考虑调整其它超参数来调优。

9 梯度的数值逼近，梯度检验( Weight initialization for deep networks, Gradient Checking )

进行梯度检验的时候，考虑某点前进很小很小距离的点，和往后很小小距离的点，考虑了两个点估计的梯度会更准确，渐进误差为这段距离的平方O(ε^2)。

考虑某点前进很小很小的一段距离的点来估计梯度，只考虑了单边，渐进误差为这段距离O(ε)。

所以我们采用双边误差的估计来进行梯度检验，用双边误差的估计梯度和实际求导的梯度做一个距离计算，看看距离是否足够小。

ng介绍的梯度检验如下第2个图所示，其中Θ[i]表示第i个样本的所有权重，距离公式中的分母只是为了防止数值太大而加的。

需要注意的是，梯度检验和dropout不要同时进行，