深度学习中常见的相关概念及TensorFlow中的batch和minibatch

Posted 2022-12-03 tealex

在刚开始学习使用TF的过程中，我不是很理解什么是“batch”。也经常有人问，到底minibatch是干什么的？
然而这是一个在TensorFlow中，或者说很多DL的框架中很常见的词。
这个解释我觉得比较贴切也比较容易理解。引用如下：


深度学习的优化算法，说白了就是梯度下降。每次的参数更新有两种方式。


第一种，遍历全部数据集算一次损失函数，然后算函数对各个参数的梯度，更新梯度。这种方法每更新一次参数都要把数据集里的所有样本都看一遍，计算量开销大，计算速度慢，不支持在线学习，这称为Batch gradient descent，批梯度下降。


另一种，每看一个数据就算一下损失函数，然后求梯度更新参数，这个称为随机梯度下降，stochastic gradient descent。这个方法速度比较快，但是收敛性能不太好，可能在最优点附近晃来晃去，hit不到最优点。两次参数的更新也有可能互相抵消掉，造成目标函数震荡的比较剧烈。

为了克服两种方法的缺点，现在一般采用的是一种折中手段，mini-batch gradient decent，小批的梯度下降，这种方法把数据分为若干个批，按批来更新参数，这样，一个批中的一组数据共同决定了本次梯度的方向，下降起来就不容易跑偏，减少了随机性。另一方面因为批的样本数与整个数据集相比小了很多，计算量也不是很大。

谈谈深度学习中的 Batch_Size
Batch_Size（批尺寸）是机器学习中一个重要参数，涉及诸多矛盾，下面逐一展开。

首先，为什么需要有 Batch_Size 这个参数？
Batch 的选择，首先决定的是下降的方向。如果数据集比较小，完全可以采用全数据集 （Full Batch Learning ）的形式，这样做至少有 2 个好处：

1. 由全数据集确定的方向能够更好地代表样本总体，从而更准确地朝向极值所在的方向。
2. 由于不同权重的梯度值差别巨大，因此选取一个全局的学习率很困难。 Full Batch Learning 可以使用Rprop 只基于梯度符号并且针对性单独更新各权值。

对于更大的数据集，以上 2 个好处又变成了 2 个坏处：

1. 随着数据集的海量增长和内存限制，一次性载入所有的数据进来变得越来越不可行。
2. 以 Rprop 的方式迭代，会由于各个 Batch 之间的采样差异性，各次梯度修正值相互抵消，无法修正。这才有了后来 RMSProp 的妥协方案。

既然 Full Batch Learning 并不适用大数据集，那么走向另一个极端怎么样？
所谓另一个极端，就是每次只训练一个样本，即 Batch_Size = 1。这就是在线学习（Online Learning）。线性神经元在均方误差代价函数的错误面是一个抛物面，横截面是椭圆。对于多层神经元、非线性网络，在局部依然近似是抛物面。使用在线学习，每次修正方向以各自样本的梯度方向修正，横冲直撞各自为政，难以达到收敛。

可不可以选择一个适中的 Batch_Size 值呢？
当然可以，这就是批梯度下降法（Mini-batches Learning）。因为如果数据集足够充分，那么用一半（甚至少得多）的数据训练算出来的梯度与用全部数据训练出来的梯度是几乎一样的。

在合理范围内，增大 Batch_Size 有何好处？

• 内存利用率提高了，大矩阵乘法的并行化效率提高。
• 跑完一次 epoch（全数据集）所需的迭代次数减少，对于相同数据量的处理速度进一步加快。
• 在一定范围内，一般来说 Batch_Size 越大，其确定的下降方向越准，引起训练震荡越小。

盲目增大 Batch_Size 有何坏处？

• 内存利用率提高了，但是内存容量可能撑不住了。
• 跑完一次 epoch（全数据集）所需的迭代次数减少，要想达到相同的精度，其所花费的时间大大增加了，从而对参数的修正也就显得更加缓慢。
• Batch_Size 增大到一定程度，其确定的下降方向已经基本不再变化。
  

调节 Batch_Size 对训练效果影响到底如何？

• 随着 Batch_Size 增大，处理相同数据量的速度越快。
• 随着 Batch_Size 增大，达到相同精度所需要的 epoch 数量越来越多。
  
• 由于上述两种因素的矛盾， Batch_Size 增大到某个时候，达到时间上的最优。
• 由于最终收敛精度会陷入不同的局部极值，因此 Batch_Size 增大到某些时候，达到最终收敛精度上的最优。

 总结关于 epoch、 iteration和batchsize

深度学习中经常看到epoch、 iteration和batchsize，下面按自己的理解说说这三个的区别：

（1）batchsize：批大小。在深度学习中，一般采用SGD训练，即每次训练在训练集中取batchsize个样本训练；

（2）iteration：1个iteration等于使用batchsize个样本训练一次；

（3）epoch：1个epoch等于使用训练集中的全部样本训练一次；

举个例子，训练集有1000个样本，batchsize=10，那么：

训练完整个样本集需要：

100次iteration，1次epoch。