1. 用滑动平均估计局部均值

  滑动平均(exponential moving average),或者叫做指数加权平均(exponentially weighted moving average),可以用来估计变量的局部均值,使得变量的更新与一段时间内的历史取值有关。

  变量$v$在$t$时刻记为$v_t$,$\theta_t$为变量$v$在$t$时刻的取值,即在不使用滑动平均模型时$v_t = \theta_t$,在使用滑动平均模型后,$v_t$的更新公式如下:

\begin{equation} v_t = \beta*v_{t-1} + (1 - \beta) * \theta_t \end{equation}

  上式中,$\beta \in [0,1)$。$\beta = 0$ 相当于没有使用滑动平均。

  假设起始$v_0= 0$,$\beta = 0.9$,之后每个时刻,依次对变量$v$进行赋值,不使用滑动平均和使用滑动平均结果如下:

表 1

t

不使用滑动平均模型,即给$v$直接赋值$\theta$

使用滑动平均模型,按照公式(1)更新$v$

使用滑动平均模型,按照公式(2)更新$v$

0 0 / /
1 10 1 10
2 20 2.9 13.6842
3 10 3.61 13.3210
4 0 3.249 9.4475
5 10 3.9241 9.5824
6 20 5.53169 11.8057
7 30 7.978521 15.2932
8 5 7.6806689 13.4859
9 0 6.91260201 11.2844

图 1:三种变量更新方式

  Andrew Ng在Course 2 Improving Deep Neural Networks中讲到,$t$时刻变量$v$的滑动平均值大致等于过去$1/(1 - \beta)$个时刻$\theta$值的平均。这个结论在滑动平均起始时相差比较大,所以有了Bias correction,将$v_t$除以$(1 - \beta^t)$修正对均值的估计。

  加入了Bias correction后,$v_t$更新公式如下:

\begin{equation} v_t = \frac{\beta*v_{t-1} + (1 - \beta) * \theta_t}{1 - \beta^t} \end{equation}

$t$越大,$1-\beta^t$越接近1,则公式(1)和(2)得到的结果将越来越近。

  当$\beta$越大时,滑动平均得到的值越和$\theta$的历史值相关。如果$\beta = 0.9$,则大致等于过去10个$\theta$值的平均;如果$\beta = 0.99$,则大致等于过去100个$\theta$值的平均。

  滑动平均的好处:

占内存少,不需要保存过去10个或者100个历史$\theta$值,就能够估计其均值。(当然,滑动平均不如将历史值全保存下来计算均值准确,但后者占用更多内存和计算成本更高)

2. TensorFlow中使用滑动平均来更新变量(参数)

  滑动平均可以看作是变量的过去一段时间取值的均值,相比对变量直接赋值而言,滑动平均得到的值在图像上更加平缓光滑,抖动性更小,不会因为某次的异常取值而使得滑动平均值波动很大,如图 1所示。

  TensorFlow 提供了 tf.train.ExponentialMovingAverage 来实现滑动平均。在初始化 ExponentialMovingAverage 时,需要提供一个衰减率(decay),即公式(1)(2)中的$\beta$。这个衰减率将用于控制模型的更新速度。ExponentialMovingAverage 对每一个变量(variable)会维护一个影子变量(shadow_variable),这个影子变量的初始值就是相应变量的初始值,而每次运行变量更新时,影子变量的值会更新为:

\begin{equation} \mbox{shadow_variable} = \mbox{decay} * \mbox{shadow_variable} + (1 - \mbox{decay}) * \mbox{variable} \end{equation}

公式(3)中的 shadow_variable 就是公式(1)中的$v_t$,公式(3)中的 variable 就是公式(1)中的$\theta_t$,公式(3)中的 decay 就是公式(1)中的$\beta$。

  公式(3)中,decay 决定了影子变量的更新速度,decay 越大影子变量越趋于稳定。在实际运用中,decay一般会设成非常接近1的数(比如0.999或0.9999)。为了使得影子变量在训练前期可以更新更快,ExponentialMovingAverage 还提供了 num_updates 参数动态设置 decay 的大小。如果在初始化 ExponentialMovingAverage 时提供了 num_updates 参数,那么每次使用的衰减率将是:

\begin{equation} min\{\mbox{decay}, \frac{1 + \mbox{num_updates}}{10 + \mbox{num_updates}}\} \end{equation}

这一点其实和Bias correction很像。

  TensorFlow 中使用 ExponentialMovingAverage 的例子:code

3. 滑动平均为什么在测试过程中被使用?

  滑动平均可以使模型在测试数据上更健壮(robust)。“采用随机梯度下降算法训练神经网络时,使用滑动平均在很多应用中都可以在一定程度上提高最终模型在测试数据上的表现。”

  对神经网络边的权重 weights 使用滑动平均,得到对应的影子变量 shadow_weights。在训练过程仍然使用原来不带滑动平均的权重 weights,不然无法得到 weights 下一步更新的值,又怎么求下一步 weights 的影子变量 shadow_weights。之后在测试过程中使用 shadow_weights 来代替 weights 作为神经网络边的权重,这样在测试数据上效果更好。因为 shadow_weights 的更新更加平滑,对于随机梯度下降而言,更平滑的更新说明不会偏离最优点很远;对于梯度下降 batch gradient decent,我感觉影子变量作用不大,因为梯度下降的方向已经是最优的了,loss 一定减小;对于 mini-batch gradient decent,可以尝试滑动平均,毕竟 mini-batch gradient decent 对参数的更新也存在抖动。

  设$\mbox{decay} = 0.999$,一个更直观的理解,在最后的1000次训练过程中,模型早已经训练完成,正处于抖动阶段,而滑动平均相当于将最后的1000次抖动进行了平均,这样得到的权重会更加robust。

References

Course 2 Improving Deep Neural Networks by Andrew Ng

《TensorFlow实战Google深度学习框架》 4.4.3

理解滑动平均(exponential moving average)的更多相关文章

  1. (转)理解滑动平均(exponential moving average)

    转自:理解滑动平均(exponential moving average) 1. 用滑动平均估计局部均值 滑动平均(exponential moving average),或者叫做指数加权平均(exp ...

  2. EMA计算的C#实现(c# Exponential Moving Average (EMA) indicator )

    原来国外有个源码(TechnicalAnalysisEngine src 1.25)内部对EMA的计算是: var copyInputValues = input.ToList(); for (int ...

  3. (转)滑动平均法、滑动平均模型算法(Moving average,MA)

    原文链接:https://blog.csdn.net/qq_39521554/article/details/79028012 什么是移动平均法? 移动平均法是用一组最近的实际数据值来预测未来一期或几 ...

  4. 一文详解滑动平均法、滑动平均模型法(Moving average,MA)

    任何关于算法.编程.AI行业知识或博客内容的问题,可以随时扫码关注公众号「图灵的猫」,加入”学习小组“,沙雕博主在线答疑~此外,公众号内还有更多AI.算法.编程和大数据知识分享,以及免费的SSR节点和 ...

  5. [leetcode]346. Moving Average from Data Stream滑动窗口平均值

    Given a stream of integers and a window size, calculate the moving average of all integers in the sl ...

  6. Tensorflow滑动平均模型tf.train.ExponentialMovingAverage解析

    觉得有用的话,欢迎一起讨论相互学习~Follow Me 移动平均法相关知识 移动平均法又称滑动平均法.滑动平均模型法(Moving average,MA) 什么是移动平均法 移动平均法是用一组最近的实 ...

  7. 『TensorFlow』滑动平均

    滑动平均会为目标变量维护一个影子变量,影子变量不影响原变量的更新维护,但是在测试或者实际预测过程中(非训练时),使用影子变量代替原变量. 1.滑动平均求解对象初始化 ema = tf.train.Ex ...

  8. tensorflow入门笔记(二) 滑动平均模型

    tensorflow提供的tf.train.ExponentialMovingAverage 类利用指数衰减维持变量的滑动平均. 当训练模型的时候,保持训练参数的滑动平均是非常有益的.评估时使用取平均 ...

  9. deep_learning_Function_tf.train.ExponentialMovingAverage()滑动平均

    近来看batch normalization的代码时,遇到tf.train.ExponentialMovingAverage()函数,特此记录. tf.train.ExponentialMovingA ...

随机推荐

  1. VM虚拟机安装centos详细图文教程

    本教程贴,采用VM虚拟机进行安装, Ps:不懂VM使用的,可以百度一下 第一步,启动虚拟机,并进行新建---虚拟机·· 选择 从镜像安装,吧里有6.3镜像下载的链接的 然后, 下一步 . 选择客户机版 ...

  2. Python 时间模块

    模块分类 标准库 python解释器自带的, sys, os等 开源模块 比如selenium中的测试框架 自定义模块 比如自己封装的测试框架 时间格式 时间戳 当前时间减去1970年1月1日00:0 ...

  3. Java Script 读书笔记 (三) 函数

    1. 函数作用域 在函数内部定义的变量,外部无法读取,称为"局部变量"(local variable). 变量v在函数内部定义,所以是一个局部变量,函数之外就无法读取. 函数内部定 ...

  4. logrus_hook.go

    package) //表示自身栈中跳过6个,:]     entry.Data["file"] = fileName     entry.Data["func" ...

  5. BZOJ_1858_[Scoi2010]序列操作_线段树

    BZOJ_1858_[Scoi2010]序列操作_线段树 Description lxhgww最近收到了一个01序列,序列里面包含了n个数,这些数要么是0,要么是1,现在对于这个序列有五种变换操作和询 ...

  6. 我和Python的Py交易》》》》》》数据类型

    Python里的变量 ---门牌 Python在使用变量之前无须定义它的类型,但是必须声明以及初始化该变量. Python中给变量赋值就是声明,初始化变量(也就是创建一个相应数据类型的对象,而那些数据 ...

  7. python环境下实现OrangePi Zero寄存器访问及GPIO控制

    最近入手OrangePi Zero一块,程序上需要使用板子上自带的LED灯,在网上一查,不得不说OPi的支持跟树莓派无法相比.自己摸索了一下,实现简单的GPIO控制方法,作者的Zero安装的是Armb ...

  8. 你真的知道final关键字吗?

    概述 final在英文中是最终的,不可更改的.在Java中final修饰变量,函数和类,就像这个单词的意思,一旦使用赋值之后不可更改. final修饰的变量不可以被改变 finalTest类 publ ...

  9. Mybatis:缓存,动态SQL,注解SQL以及动态标签使用

    1 转义字符 字符 转义 描述 < < 小于 <= <= 小于等于 > > 大于 >= >= 大于等于 <> <> 不等于 &a ...

  10. Python-爬取妹子图(单线程和多线程版本)

    一.参考文章 Python爬虫之——爬取妹子图片 上述文章中的代码讲述的非常清楚,我的基本能思路也是这样,本篇文章中的代码仅仅做了一些异常处理和一些日志显示优化工作,写此文章主要是当做笔记,方便以后查 ...