ng-深度学习-课程笔记-7: 优化算法(Week2)

1 Mini-batch梯度下降

在做梯度下降的时候，不选取训练集的所有样本计算损失函数，而是切分成很多个相等的部分，每个部分称为一个mini-batch，我们对一个mini-batch的数据计算代价，做完梯度下降，再对下一个mini-batch做梯度下降。比如500w个数据，一个mini-batch设为1000的话，我们就做5000次梯度下降（5000个mini-batch，每个mini-batch样本数为1000，总共500w个样本）。

对于batch梯度下降（每次计算所有的样本），随着迭代次数增加，代价不断减少。对于mini-batch梯度下降，mini-batch的迭代过程中，代价是震荡下降的（有时上升有时下降），因为每次下降时只考虑了部分样本，下降方向可能不正确。

mini-batch的size为m时就是batch梯度下降，它的弊端是m很大的时候单次训练需要花费很长的时间。

size为1时就是随机梯度下降（每次只计算一个样本），随机梯度下降在每次梯度下降可能会远离最优点，可能会接近最优点，平均来看会不断靠近最优点，但有时也会方向错误。随机梯度下降最终不会收敛，而是会在最优点附近波动。它的弊端就是失去了向量化带来的加速优势，因为每次只训练一个样本，要用m次循环去迭代。

所以实践中选取不大不小的mini-batch size，这样既利用了向量化的优势，也避免了m太大带来的训练时间太长的弊端。它也会震荡式地靠近最优点，但是相比于随机梯度下降要好很好，最终可能会在最优点附近波动，这个时候可以调整学习率来改善该问题。

数据集小的时候，比如m小于2000，一般直接用batch梯度下降；一般mini-batch的size在64，128，256，512这些值之间考虑（考虑到电脑的内存设置方式，设定为2的次方训练比较快）；记得要确保mini-batch的大小要符合你的CPU/GPU大小。

2 指数加权平均（Exponentially weighted averages )

考虑时间和温度的散点关系图，每天的温度为$\Theta _1,\,\Theta _2,...$，对于V, 有$V_0 = 0，V(t) = 0.9 * V_{t-1} + 0.1 * \Theta_t$，即用（前一天的V乘以0.9）加上（当天的温度乘以0.1）。

对V绘制图，如下图中的红线所示，它大致表示了平均10天的温度。

更一般地，把0.9用β表示，0.1用( 1-β )表示，我们说这个V就是平均了$ \frac{1}{1-\beta } $天的温度。如下图所示，红线表示β为0.9，平均了10天；绿线β为0.98，平均了50天，黄线β为0.5，平均了2天。

为什么会这样呢，如下图所示，展开了$V_{100}$，可以发现它是对每一天的温度赋予了一定的权重概率然后累加，越前面的天权重越低，实际上在做一个权重衰减。所以它是对温度的一个平均，平均了最近了x天，这个x是多少呢，有个计算方法就是β的x次方约等于$ \frac{1}{e} $，以此求出x，那其实这个x就是$ \frac{1}{1-\beta } $。

另外，ng指出，求指数加权平均并不是最好的，也不是精准的计算平均数的方法，不过它不需要保存最近的所有数据，占用更少内存，从效率上来讲是一个不错的办法。

3 指数加权平均的偏差修正（Bias correction in exponentially weighted averages )

如下图所示，β=0.98时，实际执行上面的计算步骤我们会得到紫色的曲线，而不是绿色曲线，原因就是一开始的时候V=0，所以刚开始的几个点都会偏低，不能做出很好的估计，所以需要做一定的偏差修正，就是让$V_t$除以$( 1 - β^t )$ ，一开始的时候能够起到修正作用，到后面t增大，作为分母的$( 1 - β^t )$ 趋近于1，得到的就是原来的$V_t$了。

在做机器学习的时候，很多时候都不在乎偏差修正，大部分人选择熬过起始时期，如果你在乎起始时期，偏差修正能帮助你得到更好的估测。

4 动量梯度下降（Gradient descent with momentum )

我们把之前学的指数加权平均应用到梯度下降中可以改善问题。

考虑代价函数的等高线如下图所示，使用mini-batch时因为方向不一定是最优方向，所以可能在不断靠近最优点时候会上下波动（下图蓝线），这个时候我们希望在上下方向上用较小的学习步长，在往右方向上使用较大的学习步长，那么可以对求得的梯度做指数加权平均的运算得到一个平均值，这时上下波动求平均，一正一负平均为0，往右前进平均还是往右，在抵达最优点的路上我们减少了动荡，能够以理想的步长去靠近最优点（下图红线）。

具体怎么做呢？见下图左侧公式，每次做梯度下降时，求一下指数加权平均，用这个平均值来做梯度下降。

这就是加了动量的梯度下降法，它不像之前的梯度下降（每次下降都是独立于之前的步骤），这个时候就有两个超参数，α和β，β一般设为0.9，表示平均了最近10次的迭代速度。

对于动量的理解：把微分dW理解成球往山下滚的加速度，momentum项v理解成速度，球因为加速度越滚越快，β稍小于1可以理解为摩擦力的阻碍，所以球不会无限加速下去。

关于偏差修正，实际上一般不用，因为10次迭代后就不需要修正了，我们平时的学习一般都不会少于10次。

有另一个版本的公式，见下图右侧公式，就是把（1-β）去掉了，缩小了（1-β）倍，ng更喜欢左边的公式，因为右边的公式没那么自然，因为下降时α要根据（1-β）做相应变化。

5 RMSProp（root mean square )

还有一种算法叫RMSProp也可以用来加速mini-batch梯度下降，它是在momentuam的基础上做了修改，公式如下图所示，dW变成dW的平方，在下降的时候多除以了一个根号项。可以理解成竖直方向的微分项比较大，所以除以一个比较大的数，水平方向的微分项比较小，所以除以一个比较小的数，这样就可以消除下降中的摆动，可以采用较大的学习率快速学习。为了确保除以的分母不会为0，在实操上会加上一个很小的数ε。

6 Adam

在深度学习领域，经常有很多新的优化算法被提到然后又遭到质疑。adam和RMSProp是少有的经得起考验的两种优化算法，已经被证明适用于不同的深度学习结构，被用来很好地解决了很多问题。

adam算法基本就是结合了momentum和RMSProp。如下图所示，基本的计算公式和偏差修正不变，V按原来momentum的方法计算，S按原来RMSProp的方法计算，在做梯度下降的时候减去的那一项做了点变动，结合了V和S。

这个方法有比较多的超参数，比如学习率α需要自己调整，β1一般为0.9，β2的话adam的论文作者推荐0.999，ε的话adam的论文作者推荐10的-8次方。在使用adam的时候一般β和ε使用缺省值就可以了。

adam表示adaptive moment estimate，β1用于计算dw微分的平均，称为first moment，β2用于计算dw的平方的平均，称为second moment，adam由此而来。

7 学习率衰减( Learning rate decay )

做学习率衰减的原因很简单，就是梯度下降早期离最优点很远，可以用较大的步长靠近，到了后期，离最优点很近的时候就要小心了，因为你跨一大步可能会跨过头，远离最优点，所以到后面步长要变小，也就是学习率要进行衰减。

学习率衰减的公式如下图所示，$\alpha = \frac{1}{1\;+\;decay\;rate\;*\;epoch\_num}*\;\alpha _0$，衰减率作为新的超参，epoch_num表示迭代了第几轮。

学习率衰减还有其它的一些运算方法，见下图，k是某常数，t表示mini-batch的第几个batch。有些人还会选择手动衰减。

8 局部最优的问题( the problem of local optima )

在深度学习的早期，人们总是担心优化问题会陷入局部最优。随着深度学习理论的发展，我们对局部最优的理解也发生了改变，我们对它的理解也还在不断发展中。

如下图左侧，我们很自然的理解是一个优化问题可能会出现多个局部最优点，我们会担心算法会不会陷入局部最优而无法做出正确的求解。

但这些理解并不正确，事实上，如果你要创建一个神经网络，通常梯度为0的点不会是下图左侧的那些局部最优点，而是下图右侧的这个鞍点。鞍点可以理解为在某一方向上是极大值点，在另一方向上是极小值点，可以想象成马背上的马鞍。

在高维空间中梯度为0的点，在每个方向上可能是凸函数，也可能是凹函数。比如你在2w维空间中你想得到局部最优，所有的2w个方向都需要是这样的,这样的概率太小了。我们更有可能遇到的是有些方向向上弯曲，而另一些方向向下弯曲，如下图右侧，因此在高维空间我们更有可能碰到的是鞍点。

我们从深度学习的历史中了解到，我们在低维空间上的直觉，如下图左侧，并不能应用到高维空间，如下图右侧。

所以在深度学习中（假设你有大量参数，代价函数被定义在高维空间）你不太可能陷入局部极值点，但是位于鞍点这样的平稳地段你可能学习的非常慢，所以才有了momentum，RMSProp，adam这样的算法来加快运算。