神经网络训练技巧

Posted 2020-11-22 weilonghu

参数初始化

• 是否可以将全部参数初始化为0
  • 同一层的任意神经元都是同构的
  • 它们的输入输出都相同，因此前向反向传播的取值完全相同
  • 训练一直是对称的，同一层参数都是相同的
• 随机初始化参数
  • 初始化参数为取值范围((-dfrac{1}{sqrt{d}}, dfrac{1}{sqrt{d}}))的均匀分布，或者是高斯分布
  • (d)是一个神经元接受的输入维度
  • 偏置可以设为启发式常数，并不会导致参数对称问题

Dropout原理与实现

• 以一定概率随机地“临时丢弃”一部分神经元
• 相当于每次迭代都在训练不同结构的神经网络，类似于Bagging方法
• 轻量级的Bagging集成近似，能够实现指数级数量神经网络的训练与评测
• 具体实现：
  • 包含(N)个神经元的网络，在Dropout作用下可看作为(2^N)个模型的集成
  • 这些模型可看作原网络的子网络，共享部分权值，具有相同网络层数，整体参数数目不变
  • 减弱全体神经元之间的联合适应性，较少过拟合的风险
  • 前向传播：
    • 以概率(p)随机生成取值为0或1的向量，代表每个神经元是否被丢弃
      [r_j^{(l)} sim Bernoulli(p)]
    • 更新神经元输出
      [ ilde{y}^{(l)}=r^{(l)} * y^{(l)}]
  • 测试阶段
    • 每个神经元参数乘以概率系数(p)
    • 恢复在训练中该神经元只有(p)的概率被用于整个网络的前向传播计算

Normalization

Internal Covariate Shift

统计机器学习中的一个经典假设是“源空间（source domain）和目标空间（target domain）的数据分布（distribution）是一致的”。如果不一致，那么就出现了新的机器学习问题，如 transfer learning / domain adaptation 等。而 covariate shift 就是分布不一致假设之下的一个分支问题，它是指源空间和目标空间的条件概率是一致的，但是其边缘概率不同，即对所有的(x in mathcal{X})，
[ P_s(Y|X=x) = P_t(Y|X=x) ]
但是，
[ P_s(X) eq P_t(X) ]

简而言之，每个神经元的输入数据不再是“独立同分布”

• 上层参数需要不断适应新的输入数据分布，降低学习速度
• 下层输入的变化可能趋向于变大或者变小，导致上层落入饱和区，使得学习过早停止
• 每层的更新都会影响到其它层，因此每层的参数更新策略需要尽可能的谨慎

通用框架与基本思想

以一个神经元为例，接收一组输入向量

[ mathbf{x} = (x_1, x_2, cdots, x_d) ]

通过某种运算后，输出一个标量值：

[ y = f(mathbf{x}) ]

以BN为代表的方法进行了简化的白化操作，通用框架如下所示：

[ h = f(g cdot frac{mathbf{x} - mu}{delta} + b) ]

其中，(mu)和(delta)是平移参数和缩放参数，(g)和(b)是再缩放参数和再平移参数。之所以引入再缩放和再平移，是为了模型的表达能力不会因为规范化下降。这两个参数都是可学习的，保证每个Normalization层学到的是真正有用的分布。

Batch Normalization：纵向规范化

结合上述通用公式，BN中均值和方差由以下公式计算
[ mu_i=dfrac{1}{m}sum limits_{i=1}^m x_i ]
[ sigma_i=sqrt{dfrac{1}{m}sum limits_{i=1}^m(x_i-mu_i)^2 + epsilon} ]

BN独立地规范化每一个输入维度(x_i)，但规范化的参数是一个 mini-batch的一阶统计量和二阶统计量。这就要求每一个 mini-batch的统计量是整体统计量的近似估计，或者说每一个 mini-batch彼此之间，以及和整体数据，都应该是近似同分布的。分布差距较小的mini-batch可以看做是为规范化操作和模型训练引入了噪声，可以增加模型的鲁棒性；但如果每个mini-batch的原始分布差别很大，那么不同 mini-batch的数据将会进行不一样的数据变换，这就增加了模型训练的难度。

训练时，BN层利用隐藏层输出结果的均值与方差来标准化每一层特征的分布，并且维护所有mini-batch数据的均值与方差，最后利用样本的均值与方差的无偏估计量在测试时使用

Layer Normalization：横向规范化

与 BN不同，LN是一种横向的规范化，它综合考虑一层所有维度的输入，计算该层的平均输入值和输入方差，然后用同一个规范化操作来转换各个维度的输入:

[ mu = sum_i x_i ]

[ delta = sqrt{sum_i (x_i - mu)^2 + epsilon} ]

LN针对单个训练样本进行，不依赖于其他数据，因此可以避免BN 中受mini-batch 数据分布影响的问题，可以用于小mini-batch场景、动态网络场景和RNN，特别是自然语言处理领域。此外，LN不需要保存mini-batch 的均值和方差，节省了额外的存储空间

但是，BN的转换是针对单个神经元可训练的——不同神经元的输入经过再平移和再缩放后分布在不同的区间，而 LN对于一整层的神经元训练得到同一个转换——所有的输入都在同一个区间范围内。如果不同输入特征不属于相似的类别（比如颜色和大小），那么LN的处理可能会降低模型的表达能力

Weight Normalization：参数规范化