在 PyTorch 中添加 L1/L2 正则化？

Posted 2023-02-23

【中文标题】在 PyTorch 中添加 L1/L2 正则化？

【英文标题】：Adding L1/L2 regularization in PyTorch?

【发布时间】：2017-07-30 23:10:51

【问题描述】：

有什么方法可以在 PyTorch 中添加简单的 L1/L2 正则化？我们可以通过简单地将data_loss 与reg_loss 相加来计算正则化损失，但是有没有任何明确的方法，PyTorch 库的任何支持可以更容易地做到这一点而无需手动操作？

【参考方案1】：

以下应该有助于 L2 正则化：

optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-4, weight_decay=1e-5)

【讨论】：

在SGD优化器中，L2正则化可以通过weight_decay得到。但是weight_decay 和 L2 正则化对于 Adam 优化器是不同的。更多内容可以在这里阅读：openreview.net/pdf?id=rk6qdGgCZ

@Ashish 您的评论是正确的，weight_decay 和 L2 正则化是不同的，但是在 PyTorch 的 Adam 实现的情况下，它们实际上实现了 L2 正则化而不是真正的权重衰减。请注意，权重衰减项在优化器步骤之前应用于梯度here

【参考方案2】：

这在 PyTorch 的 the documentation 中介绍。您可以使用 weight_decay 参数将 L2 损失添加到优化函数中。

【讨论】：

Adagrad 是一种优化技术，我说的是正则化。你能给我一个关于 L1 和 L2 损失的具体例子吗？

是的，L2 正则化被神秘地添加到优化函数中，因为在优化期间使用了损失函数。你可以在这里找到讨论discuss.pytorch.org/t/simple-l2-regularization/139/3

我有一些使用 L2 loss 的分支，所以这没有用。 （我有不同的损失函数）

如果我想使用 L1 或其他损失进行正则化怎么办？

@mrgloom 你可以自己实现。它不包含在优化器中。

【参考方案3】：

以前的答案虽然在技术上是正确的，但在性能方面效率低下，并且不是太模块化（很难在每层基础上应用，例如，keras 层提供）。

PyTorch L2 实现

为什么 PyTorch 在 torch.optim.Optimizer 实例中实现 L2？

我们来看看torch.optim.SGD source code（目前为功能优化程序），尤其是这部分：

for i, param in enumerate(params):
    d_p = d_p_list[i]
    # L2 weight decay specified HERE!
    if weight_decay != 0:
        d_p = d_p.add(param, alpha=weight_decay)

可以看到，d_p（参数的导数，梯度）被修改并重新分配以加快计算速度（不保存临时变量） 它具有O(N) 的复杂性，没有像pow 这样的复杂数学运算

不涉及autograd无任何扩展图

将其与 O(n) **2 操作、加法以及参与反向传播进行比较。

数学

让我们看看L2 方程和alpha 正则化因子（L1 ofc 也可以这样做）：

如果我们使用 L2 正则化 w.r.t 对任何损失进行导数。参数w（与loss无关），我们得到：

所以它只是为每个权重的梯度添加alpha * weight！这正是 PyTorch 在上面所做的！

L1 正则化层

使用这个（和一些 PyTorch 魔法），我们可以提出非常通用的 L1 正则化层，但让我们先看看 L1 的一阶导数（sgn 是符号函数，返回 1 表示正输入和-1 表示否定，0 表示 0)：

带有WeightDecay 接口的完整代码位于torchlayers third party library 中，提供诸如仅正则化权重/偏差/特定命名参数之类的东西（免责声明：我是作者），但这个想法的本质概述如下（见 cmets）：

class L1(torch.nn.Module):
    def __init__(self, module, weight_decay):
        super().__init__()
        self.module = module
        self.weight_decay = weight_decay

        # Backward hook is registered on the specified module
        self.hook = self.module.register_full_backward_hook(self._weight_decay_hook)

    # Not dependent on backprop incoming values, placeholder
    def _weight_decay_hook(self, *_):
        for param in self.module.parameters():
            # If there is no gradient or it was zeroed out
            # Zeroed out using optimizer.zero_grad() usually
            # Turn on if needed with grad accumulation/more safer way
            # if param.grad is None or torch.all(param.grad == 0.0):

            # Apply regularization on it
            param.grad = self.regularize(param)

    def regularize(self, parameter):
        # L1 regularization formula
        return self.weight_decay * torch.sign(parameter.data)

    def forward(self, *args, **kwargs):
        # Simply forward and args and kwargs to module
        return self.module(*args, **kwargs)

如果需要，请阅读有关 hooks in this answer 或相应 PyTorch 文档的更多信息。

而且用法也很简单（应该与梯度累积和 PyTorch 层一起使用）：

layer = L1(torch.nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=32, kernel_size=3))

旁注

另外，作为旁注，L1 正则化没有实现，因为它实际上并没有引起稀疏性（引用丢失，我认为这是 PyTorch repo 上的一些 GitHub 问题，如果有人有的话, 请编辑) 理解为权重为零。

如果权重值达到某个小的预定义量级（例如0.001），则通常会对权重值进行阈值处理（只需为其分配零值）

【讨论】：

您是否愿意为torchlayers 创建一个新标签并使用L1 和L2 发布它，因为它们在一年前发布的0.1.1 版本中仍然缺失？跨度>

@MaximEgorushkin 你能试试夜间版本吗？它应该在那里，虽然尚未经过彻底测试，新版本计划在未来 2 个月内发布（与其他库一起）

Nightly 有L1 和L2，谢谢。虽然有一个警告~/anaconda3/envs/torch/lib/python3.8/site-packages/torch/nn/modules/module.py:785: UserWarning: Using a non-full backward hook when outputs are generated by different autograd Nodes is deprecated and will be removed in future versions. This hook will be missing some grad_output. Please use register_full_backward_hook to get the documented behavior.

@MaximEgorushkin 见this PR，您可以相应地更新您的版本（如果测试通过，它将在今天@00:00 GMT 发布）。

【参考方案4】：

对于 L2 正则化，

l2_lambda = 0.01
l2_reg = torch.tensor(0.)
for param in model.parameters():
    l2_reg += torch.norm(param)
loss += l2_lambda * l2_reg

参考资料：

https://discuss.pytorch.org/t/how-does-one-implement-weight-regularization-l1-or-l2-manually-without-optimum/7951。 http://pytorch.org/docs/master/torch.html?highlight=norm#torch.norm。

【讨论】：

不应该排除不可训练的参数吗？

torch.norm 在这里采用 2 范数，而不是 2 范数的平方。所以我认为规范应该平方以获得正确的正则化。

没有 requires_grad 并使用 += 会导致错误。这对我有用： l2_reg = torch.tensor(0., requires_grad=True) l2_reg = l2_reg + torch.norm(param)

【参考方案5】：

仅用于 L1 正则化并包括 weight：

L1_reg = torch.tensor(0., requires_grad=True)
for name, param in model.named_parameters():
    if 'weight' in name:
        L1_reg = L1_reg + torch.norm(param, 1)

total_loss = total_loss + 10e-4 * L1_reg

【参考方案6】：

开箱即用的 L2 正则化

是的，pytorch optimizers 有一个名为 weight_decay 的参数，它对应于 L2 正则化因子：

sgd = torch.optim.SGD(model.parameters(), weight_decay=weight_decay)

L1 正则化实现

L1 没有类似的参数，但是这很容易手动实现：

loss = loss_fn(outputs, labels)
l1_lambda = 0.001
l1_norm = sum(p.abs().sum() for p in model.parameters())

loss = loss + l1_lambda * l1_norm

L2 的等效手动实现是：

l2_norm = sum(p.pow(2.0).sum() for p in model.parameters())

来源：Deep Learning with PyTorch (8.5.2)

【参考方案7】：

有趣的torch.norm 在 CPU 上较慢，在 GPU 上较直接方法更快。

import torch
x = torch.randn(1024,100)
y = torch.randn(1024,100)

%timeit torch.sqrt((x - y).pow(2).sum(1))
%timeit torch.norm(x - y, 2, 1)

输出：

1000 loops, best of 3: 910 µs per loop
1000 loops, best of 3: 1.76 ms per loop

另一方面：

import torch
x = torch.randn(1024,100).cuda()
y = torch.randn(1024,100).cuda()

%timeit torch.sqrt((x - y).pow(2).sum(1))
%timeit torch.norm(x - y, 2, 1)

输出：

10000 loops, best of 3: 50 µs per loop
10000 loops, best of 3: 26 µs per loop

【讨论】：

我也确认了这一点。在这个例子中，torch.norm 大约慢了 60%。