一、简单介绍及公式

Dropout是深度学习中强大的正则化方法。过程很简单:在训练时候,随机的挑选一些节点参与预测和反向传播,当test时候,全部节点参与,但是权重要乘以留存概率p。数学实现是:

\[z_i^{l+1} = f(W_i^{l}*B(p)*z^{l}+b_i^{l})
\]

其中,\(z_i^{l+1}\)表示l+1层的某个节点,\(z^{l}\)表示l层的一个整层。\(B(p)\)表示概率为p的二项式概率分布函数。\(W_i^{l}\)表示\(z_i^{l+1}\)的权重矩阵。\(b_i^{l}\)表示\(z_i^{l+1}\)的偏置向量。

与标准网络相比,只是多了一个二项式函数。

在traing阶段,与标准网络对比如下图,

二、为什么dropout有效-原因定性分析

关于Dropout有效的原因,大多数都是在定性分析,并没有太多的定量分析,以下是一些观点。

首先是Nitish Srivastava的观点《Dropout: A Simple Way to Prevent Neural Networks from Overfitting》。

2.1 ensemble论

2.1.1 ensemble

这个是Nitish Srivastava的《Dropout: A Simple Way to Prevent Neural Networks from Overfitting》原文的观点。通常比较好的缓解过拟合的方法是ensemble(类似随机森林的方法),但是训练神经网络很费时间和金钱(这篇文章是14年前出来的,算力确实不怎么够),所以ensemble好像是不成。但是假如,退一步,如果我们在训练时候随机去掉部分节点,那么就好像我们每次都在训练一个个独立的新网络,网络训练好之后,就可以看做共享部分节点的N多个神经网络ensemble在一起了。这个观点有点牵强。

2.1.2 动机:联合适应(co-adapting)

试想,50个恐怖分子搞破坏,如果是50人一起去搞破坏,搞了一两次破坏后,容易被团灭。如果是5人一组,分成10组,搞得破坏次数就能增加很多。前者就是co-adapting,后者是相对来说集中性小,联合性弱,适应能力更加强。

自然界中,细菌病毒这类的,它们是无性繁殖,DNA或者RNA是自我复制的。另外一种是有性繁殖,每次都需要交叉母本和父本的DNA,生成子代的DNA。前者面对的环境简单,不求生存率,所以每次基本很少变异,遗传物质是大段大段的拷贝的,可以认为很多碱基对联合一起工作的。后者,面对的环境复杂,遗传物质多,所以将功能拆分到许许多多的小基因片段中,是相对小联合一起工作。

现在回到神经网络中,那么多的神经节点一起工作,那么不是就很容易就又大规模co-adapting的吗?而dropout后,肯定缩小co-adapting的规模。所以dropout减少了其co-adaping。

思考:

如果我们造一些很窄的网络,然后ensemble在一起如何,会不会以后dropout那么好?

猜想:应该不是的,1)神经网络更深更宽,能力更加强悍,窄网络可能会有泛化能力不足的问题。2)多个窄网络训练起来比较费时间。

2.1.3 推论和小技巧

dropout是正则的一种,用于治疗过拟合的。经过上面的介绍,应该有些简单的推论:

  • 因为是ensemble,所以dropout=0.5的时候效果最好,因为这样随机性最大。调训的N个网络,最不一样。
  • 可以用于治疗数据量不足引起的过拟合,但是对于其他类型的过拟合不适用。
  • 治疗过拟合,数据集越大,dropout效果越好。(其他的正则化方法也存在这类)
  • 与其他方法搭配更好:soft-weight sharing, max-norm regularization等

2.2 噪音派

dropout可以拿来做数据增强(Data Augmentation),而其之所以有效是因为在训练数据中加了噪音。

  • 不明白点1:dropout后,样本空间变小了,样本数量不应该变少了吗?为什么还能达到数据增多的效果?

当样本集是非线性空间的时候,使用一系列的局部特征,会使预测更加稳定。dropout能够造成稀疏性。确实,因为他们在学习过程中,去掉了某些节点,也就是置0,那么结果是很多时候生产的向量具有一定的稀疏性。dropout能够帮助学习到更多的局部特征。

  • 不明白点:当样本集是非线性空间的时候,使用一系列的局部特征,会使预测更加稳定。

  • 不明白点:dropout由固定值变为一个区间,可以提高效果

  • dropout学习出来的特征向量具有稀疏性

  • 待做实验:试验中,纯二值化的特征的效果也非常好,说明了稀疏表示在进行空间分区的假设是成立的,一个特征是否被激活表示该样本是否在一个子空间中。

四、缺点

  • dropout后训练时间更长,2-3倍

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