深度学习之基础篇

Posted 2021-12-23 dyl222

1、神经网络中损失函数和优化函数的作用

训练出一个网络模型之后如何对模型进行评估？往往是衡量预测值与真实值之间的差异程度，这就是通过损失函数来完成的。另外损失函数也是神经网络中优化的目标函数，神经网络训练或者优化的过程就是最小化损失函数的过程，损失函数越小，说明模型的预测值就越接近真实值，模型的准确性也就越好。那么为了最小化损失函数则需要对网络模型的参数进行更新，确定如何更新参数这时则需要选择合适的优化函数（用以确定对网络模型参数进行更新的方法，步长和方向的确定）。我们都知道，神经网络模型训练得以实现是经过前向传播计算LOSS，根据LOSS的值进行反向推到，进行相关参数的调整。这个过程需要在loss值的指导下进行，因此在优化时需要传入loss值。

2、神经网络中的收敛

 

一般我们可以设置一个迭代次数阈值，当损失loss的变化小于一个很小的值，或者迭代次数达到阈值上限，那么我们一般就认为模型已经收敛了。
在实际应用中，如果你用的是TensorFlow之类的工具，可以在Tensorboard上看loss的变化情况，如果曲线趋于平的，那么基本就可以认为是收敛了。
另外收敛只看训练集的损失值，与测试集无关。

3、train loss与val loss结果分析

 

train loss 不断下降，val loss不断下降，说明网络仍在学习; 
train loss 不断下降，val loss趋于不变，说明网络过拟合; 
train loss 趋于不变，val loss不断下降，说明数据集可能有问题; 
train loss 趋于不变，val loss趋于不变，说明学习可能已经收敛; 
train loss 不断上升，val loss不断上升，说明网络结构设计不当，训练超参数设置不当，数据集经过清洗等问题。

4、影响神经网络收敛速度的不同因素

1）对于收敛路径而言，梯度的方向和步长的大小显然是对收敛速度两个最直接的因素。对于网络优化问题来说也是两个角度，一个是学习率衰减，决定了梯度下降的步长，包括AdaGrad、RMSprop、AdaDelta；另一个就是梯度方向，避免陷入局部最优，包括动量法、Nesterov加速梯度、梯度截断等；还包括mini batch方法，引入随机噪声又能平滑梯度，相交于一次性全局梯度和单个样本随机梯度。

2）参数的初始化也很重要，既要避免参数全部一致导致学习特征单一，又要避免激活函数（sigmoid）的净输入陷入饱和区导致梯度为0无法学习。随机初始化包括高斯分布以及Xavier[‘ze?v?r]。

3）数据预处理就是归一化。简单地讲，由于特征量度不同，导致Loss的等高线成为不均匀的椭圆状，在像最优点下降过程中，梯度方向难免出现震荡，使得收敛速度变缓。引入归一化后，使得Loss等高线变为更均匀的圆形，约束梯度下降的方向指向正中圆心最优点，得到最优的收敛路径。归一化方法包括缩放归一化和标准分布归一化。

4）训练过程中，层与层之间输入输出需要保持分布一致性，否则会出现内部协变量偏移，越深的层次，现象越明显。深度神经网络中，误差通过梯度反向传播，分布不一致会导致参数更新不是最优的方向，阻碍了收敛最优点。解决方案是引入输入输出规范化，包括批规范化BN和层规范化LN。

5）残差网络ResNet，ResNet是针对CNN训练中层次过深导致退化问题。简单来说，卷积用来提取目标特征，而越深的卷积层使得提取的特征更加抽象，从而在测试集上得到更好的准确率。同时，层次过深又阻碍了误差反向传播，比如梯度爆炸和梯度弥散，使得参数得不到最优的更新，在训练集合上收敛不到最优。对此引入残差网络，将输入作为旁路恒等映射到输出端，这个映射使得误差反向传播时，保证梯度的稳定。在保持深层次的基础上，使得各层的参数得到很好的更新，有利于模型的收敛。

5、梯度爆炸和梯度消失

 

写的很好的参照：

 

https://blog.csdn.net/qq_25737169/article/details/78847691

简单理解，就是在反向传播的算法过程中，由于我们使用了是矩阵求导的链式法则，有一大串连乘，如果连乘的数字在每层都是小于1的，则梯度越往前乘越小，导致梯度消失，而如果连乘的数字在每层都是大于1的，则梯度越往前乘越大，导致梯度爆炸。

比如我们在前一篇反向传播算法里面讲到了δ的计算，可以表示为：

 

如果不巧我们的样本导致每一层的∂zl+1/∂zl都小于1，则随着反向传播算法的进行，我们的δl会随着层数越来越小，甚至接近越0，导致梯度几乎消失，进而导致前面的隐藏层的W,b参数随着迭代的进行，几乎没有大的改变，更谈不上收敛了。这个问题目前没有完美的解决办法。

导致梯度消失和梯度爆炸的原因：

两种情况下梯度消失经常出现，一是在深层网络中，二是采用了不合适的损失函数，比如sigmoid。梯度爆炸一般出现在深层网络和权值初始化值太大的情况下。梯度消失、爆炸，其根本原因在于反向传播训练法则，属于先天不足。

从深层网络角度来讲，不同层的学习速度差异很大，表现为网络中靠近输出的层学习的情况很好，靠近输入的层学习的很慢，有时甚至训练了很久，前几层的权值和刚开始随机初始化的值差不多。

解决梯度消失和梯度爆炸的方法：

由于导致这两种现象产生的根本原始是反向传播训练法则，所以可以从对w的控制以及激活函数着手。

为了避免梯度爆炸可以通过梯度剪切（这样处理其实并不粗糙，有些论文中也是这样处理的）和正则化的手段，从激活函数的选取方面选用relu激活函数。

通过合理的初始化权重能够减小梯度消失和梯度爆炸的情况，引入batch_norm也能一定程度减小梯度消失和梯度爆炸的情况。