深度学习网络训练技巧汇总

Posted 2020-10-01

转载请注明：炼丹实验室
新开了一个专栏，为什么叫炼丹实验室呢，因为以后会在这个专栏里分享一些关于深度学习相关的实战心得，而深度学习很多人称它为玄学，犹如炼丹一般。不过即使是炼丹也是可以摸索出一些经验规律的，希望和各位炼丹术士一起多多交流。

训练技巧对深度学习来说是非常重要的，作为一门实验性质很强的科学，同样的网络结构使用不同的训练方法训练，结果可能会有很大的差异。这里我总结了近一年来的炼丹心得，分享给大家，也欢迎大家补充指正。

参数初始化。

下面几种方式,随便选一个,结果基本都差不多。但是一定要做。否则可能会减慢收敛速度，影响收敛结果，甚至造成Nan等一系列问题。
n_in为网络的输入大小，n_out为网络的输出大小，n为n_in或(n_in+n_out)*0.5
Xavier初始法论文：http://jmlr.org/proceedings/papers/v9/glorot10a/glorot10a.pdf
He初始化论文：https://arxiv.org/abs/1502.01852

• uniform均匀分布初始化：
  w = np.random.uniform(low=-scale, high=scale, size=[n_in,n_out])

  • Xavier初始法，适用于普通激活函数(tanh,sigmoid)：scale = np.sqrt(3/n)
  • He初始化，适用于ReLU：scale = np.sqrt(6/n)

• normal高斯分布初始化：
  w = np.random.randn(n_in,n_out) * stdev # stdev为高斯分布的标准差，均值设为0

  • Xavier初始法，适用于普通激活函数 (tanh,sigmoid)：stdev = np.sqrt(n)
  • He初始化，适用于ReLU：stdev = np.sqrt(2/n)

• svd初始化：对RNN有比较好的效果。参考论文：https://arxiv.org/abs/1312.6120

数据预处理方式

• zero-center ,这个挺常用的.
  X -= np.mean(X, axis = 0) # zero-center
  X /= np.std(X, axis = 0) # normalize
• PCA whitening,这个用的比较少.

训练技巧

• 要做梯度归一化,即算出来的梯度除以minibatch size
• clip c(梯度裁剪): 限制最大梯度,其实是value = sqrt(w1^2+w2^2….),如果value超过了阈值,就算一个衰减系系数,让value的值等于阈值: 5,10,15
• dropout对小数据防止过拟合有很好的效果,值一般设为0.5,小数据上dropout+sgd在我的大部分实验中，效果提升都非常明显.因此可能的话，建议一定要尝试一下。 dropout的位置比较有讲究, 对于RNN,建议放到输入->RNN与RNN->输出的位置.关于RNN如何用dropout,可以参考这篇论文:http://arxiv.org/abs/1409.2329
• adam,adadelta等,在小数据上,我这里实验的效果不如sgd, sgd收敛速度会慢一些，但是最终收敛后的结果，一般都比较好。如果使用sgd的话,可以选择从1.0或者0.1的学习率开始,隔一段时间,在验证集上检查一下,如果cost没有下降,就对学习率减半. 我看过很多论文都这么搞,我自己实验的结果也很好. 当然,也可以先用ada系列先跑,最后快收敛的时候,更换成sgd继续训练.同样也会有提升.据说adadelta一般在分类问题上效果比较好，adam在生成问题上效果比较好。
• 除了gate之类的地方,需要把输出限制成0-1之外,尽量不要用sigmoid,可以用tanh或者relu之类的激活函数.1. sigmoid函数在-4到4的区间里，才有较大的梯度。之外的区间，梯度接近0，很容易造成梯度消失问题。2. 输入0均值，sigmoid函数的输出不是0均值的。
• rnn的dim和embdding size,一般从128上下开始调整. batch size,一般从128左右开始调整.batch size合适最重要,并不是越大越好.
• word2vec初始化,在小数据上,不仅可以有效提高收敛速度,也可以可以提高结果.
• 尽量对数据做shuffle
• LSTM 的forget gate的bias,用1.0或者更大的值做初始化,可以取得更好的结果,来自这篇论文:http://jmlr.org/proceedings/papers/v37/jozefowicz15.pdf, 我这里实验设成1.0,可以提高收敛速度.实际使用中,不同的任务,可能需要尝试不同的值.
• Batch Normalization据说可以提升效果，不过我没有尝试过，建议作为最后提升模型的手段，参考论文：Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate Shift
• 如果你的模型包含全连接层（MLP），并且输入和输出大小一样，可以考虑将MLP替换成Highway Network,我尝试对结果有一点提升，建议作为最后提升模型的手段，原理很简单，就是给输出加了一个gate来控制信息的流动，详细介绍请参考论文: http://arxiv.org/abs/1505.00387
• 来自@张馨宇的技巧：一轮加正则，一轮不加正则，反复进行。

Ensemble

Ensemble是论文刷结果的终极核武器,深度学习中一般有以下几种方式

• 同样的参数,不同的初始化方式
• 不同的参数,通过cross-validation,选取最好的几组

• 同样的参数,模型训练的不同阶段，即不同迭代次数的模型。

• 不同的模型,进行线性融合. 例如RNN和传统模型.