深度学习基础Epoch, Batch, Iteration这三个概念的区别与联系

Posted 2021-12-31 非晚非晚

文章目录

• 1. Epoch, Batch, Iteration说明
• 2. 为什么要多个epoch
• 3. 为什么要分多个batch
• 4. Rprop与RMSProp

1. Epoch, Batch, Iteration说明

相关概念的区别与联系如下表所示：

名词	解释
Epoch	所有训练样本在神经网络中都进行了一次正向传播和一次反向传播。也就是1个epoch等于使用训练集中的全部样本训练一次。
Batch	将整个训练样本分成若干个Batch。
Iteration	1个iteration等于使用batch size个样本训练一次。一个迭代=一个正向通过+一个反向通过。训练一个Batch就是一次Iteration
Batch_Size	每批样本的大小，即每次训练在训练集中取batchsize个样本进行训练。

• 举个例子

假设训练集有1000个样本，batchsize=10，那么训练完整个样本集需要：

• 100次iteration
• 100个Batch
• 1次epoch。

• 几点说明

1. batchsize最大是样本总数N，此时就是Full batch learning；最小是1，即每次只训练一个样本，这就是在线学习（Online Learning）。

2. 当我们分批学习时，每次使用过全部训练数据（完成一次Forword运算以及一次BP运算），即成为完成了一次epoch。

3. 如果数据集比较小，我们就采用全数据集。全数据集确定的方向能够更好的代表样本总体，从而更准确的朝向极值所在的方向。对于大的数据集，我们不能使用全批次，因为会得到更差的结果。

2. 为什么要多个epoch

因为将所有数据迭代训练一次是不够的， 需要反复多次才能拟合、收敛。随着epoch 数量的增加， 权重更新迭代的次数增多， 曲线从最开始的不拟合状态， 进入优化拟合状态， 最终进入过拟合。

3. 为什么要分多个batch

先来讲讲梯度下降与随机梯度下降。

• 梯度下降法(gradient descent)是机器学习中经典的优化算法之一，用于寻求一个曲线的最小值。所谓"梯度"，即一条曲线的坡度或倾斜率，"下降"指代下降递减的过程。
• 在深度学习领域中，常用随机梯度下降算法（Stochastic Gradient Descent, SGD）训练深层结构，它有一个好处就是并不需要遍历全部的样本，当数据量非常大时十分有效。

Batch 的选择，决定的是下降的方向。

• 极端一：batch_size为全数据集(Full Batch Learning)：

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，因此选择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。

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。

• 极端二：Batch_size=1:

Batch_size=1，也就是每次只训练一个样本。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，难以达到收敛。如下图所示：

• 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。

4. Rprop与RMSProp

Rprop与RMSProp都是一种权值更新算法，类似于SGD算法，其中，RMSProp是RProp算法的改良版。

1. Rprop

1. 首先为各权重变化赋一个初始值，设定权重变化加速因子与减速因子。
2. 在网络前馈迭代中当连续误差梯度符号不变时，采用加速策略，加快训练速度；当连续误差梯度符号变化时，采用减速策略，以期稳定收敛。
3. 网络结合当前误差梯度符号与变化步长实现BP，同时，为了避免网络学习发生振荡或下溢，算法要求设定权重变化的上下限。

不同权值参数的梯度的数量级可能相差很大，因此很难找到一个全局的学习步长。靠参数梯度的符号，动态的调节学习步长。适用于full-batch learning，不适用于mini-batch learning

2. RMSProp：

rmsprop算法不再孤立地更新学习步长，而是联系之前的每一次梯度变化情况，具体如下。

1. rmsprop算法给每一个权值一个变量MeanSquare(w,t)用来记录第t次更新步长时前t次的梯度平方的平均值。
2. 然后再用第t次的梯度除上前t次的梯度的平方的平均值，得到学习步长的更新比例。
3. 根据此比例去得到新的学习步长。如果当前得到的梯度为负，那学习步长就会减小一点点；如果当前得到的梯度为正，那学习步长就会增大一点点。

这样看来，rmsprop算法步长的更新更加缓和。这些算法并不能完全解决局部最小值问题，只是使得参数收敛的速度更快。针对是否能收敛到全局最优解，还与模型的初始化有关。

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参考：https://blog.csdn.net/qq280929090/article/details/79585887?utm_medium=distribute.pc_aggpage_search_result.none-task-blog-2_{aggregatepage}first_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-3-79585887.pc_agg_new_rank&utm_term=%E4%B8%BA%E4%BB%80%E4%B9%88%E8%A6%81%E6%9C%89batch&spm=1000.2123.3001.4430