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深度学习 网络正则化

2022-07-04 13:28:00 落花雨时

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在设计机器学习算法时不仅要求在训练集上误差小,而且希望在新样本上的泛化能力强。许多机器学习算法都采用相关的策略来减小测试误差,这些策略被统称为正则化。因为神经网络的强大的表示能力经常遇到过拟合,所以需要使用不同形式的正则化策略。

正则化通过对算法的修改来减少泛化误差,目前在深度学习中使用较多的策略有参数范数惩罚,提前终止,DropOut等,接下来我们对其进行详细的介绍。

1. L1与L2正则化(回顾)

L1和L2是最常见的正则化方法。它们在损失函数(cost function)中增加一个正则项,由于添加了这个正则化项,权重矩阵的值减小,因为它假定具有更小权重矩阵的神经网络导致更简单的模型。 因此,它也会在一定程度上减少过拟合。然而,这个正则化项在L1和L2中是不同的。

  • L2正则化
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    这里的λ是正则化参数,它是一个需要优化的超参数。L2正则化又称为权重衰减,因为其导致权重趋向于0(但不全是0)

  • L1正则化
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    这里,我们惩罚权重矩阵的绝对值。其中,λ 为正则化参数,是超参数,不同于L2,权重值可能被减少到0.因此,L1对于压缩模型很有用。其它情况下,一般选择优先选择L2正则化。

在tf.keras中实现使用的方法是:

  • L1正则化
tf.keras.regularizers.L1(l1=0.01)
  • L2正则化
tf.keras.regularizers.L2(l2=0.01)
  • L1L2正则化
tf.keras.regularizers.L1L2(
    l1=0.0, l2=0.0
)

我们直接在某一层的layers中指明正则化类型和超参数即可:

# 导入相应的工具包
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import regularizers
# 创建模型
model = tf.keras.models.Sequential()
# L2正则化,lambda为0.01
model.add(tf.keras.layers.Dense(16, kernel_regularizer=regularizers.l2(0.001),
                       activation='relu', input_shape=(10,)))
# L1正则化,lambda为0.01
model.add(tf.keras.layers.Dense(16, kernel_regularizer=regularizers.l1(0.001),
                       activation='relu'))
# L1L2正则化,lambda1为0.01,lambda2为0.01
model.add(tf.keras.layers.Dense(16, kernel_regularizer=regularizers.L1L2(0.001, 0.01),
                       activation='relu'))

2. Dropout正则化

dropout是在深度学习领域最常用的正则化技术。Dropout的原理很简单:假设我们的神经网络结构如下所示,在每个迭代过程中,随机选择某些节点,并且删除前向和后向连接。

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因此,每个迭代过程都会有不同的节点组合,从而导致不同的输出,这可以看成机器学习中的集成方法(ensemble technique)。集成模型一般优于单一模型,因为它们可以捕获更多的随机性。相似地,dropout使得神经网络模型优于正常的模型。

在tf.keras中实现使用的方法是dropout:

tf.keras.layers.Dropout(rate)

参数:

rate: 每一个神经元被丢弃的概率

例子:

# 导入相应的库
import numpy as np
import tensorflow as tf
# 定义dropout层,每一个神经元有0.2的概率被失活,未被失活的输入将按1 /(1-rate)放大
layer = tf.keras.layers.Dropout(0.2,input_shape=(2,))
# 定义五个批次的数据
data = np.arange(1,11).reshape(5, 2).astype(np.float32)
# 原始数据进行打印
print(data)
# 进行随机失活:在training模式中,返回应用dropout后的输出;或者在非training模式下,正常返回输出(没有dropout)
outputs = layer(data,training=True)
# 打印失活后的结果
print(outputs)

结果为:

[[ 1.  2.]
 [ 3.  4.]
 [ 5.  6.]
 [ 7.  8.]
 [ 9. 10.]]
tf.Tensor(
[[ 1.25  2.5 ]
 [ 0.    5.  ]
 [ 6.25  7.5 ]
 [ 8.75 10.  ]
 [ 0.   12.5 ]], shape=(5, 2), dtype=float32)

3. 提前停止

提前停止(early stopping)是将一部分训练集作为验证集(validation set)。 当验证集的性能越来越差时或者性能不再提升,则立即停止对该模型的训练。 这被称为提前停止。

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在上图中,在虚线处停止模型的训练,此时模型开始在训练数据上过拟合。

在tf.keras中,我们可以使用callbacks函数实现早期停止:

tf.keras.callbacks.EarlyStopping(
    monitor='val_loss',  patience=5
)

上面,monitor参数表示监测量,这里val_loss表示验证集损失。而patience参数epochs数量,当在这个过程性能无提升时会停止训练。为了更好地理解,让我们再看看上面的图片。 在虚线之后,每个epoch都会导致更高的验证集误差。 因此,虚线后patience个epoch,模型将停止训练,因为没有进一步的改善。

# 导入相应的工具包
import tensorflow as tf
import numpy as np
# 当连续3个epoch loss不下降则停止训练
callback = tf.keras.callbacks.EarlyStopping(monitor='loss', patience=3)
# 定义只有一层的神经网络
model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Dense(10)])
# 设置损失函数和梯度下降算法
model.compile(tf.keras.optimizers.SGD(), loss='mse')
# 模型训练
history = model.fit(np.arange(100).reshape(5, 20), np.array([0,1,2,1,2]),
                    epochs=10, batch_size=1, callbacks=[callback],
                    verbose=1)
# 打印运行的epoch
len(history.history['loss']) 

输出:

Epoch 1/10
5/5 [==============================] - 0s 600us/step - loss: 145774557280600064.0000
Epoch 2/10
5/5 [==============================] - 0s 522us/step - loss: 10077891596456623723194184833695744.0000
Epoch 3/10
5/5 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: inf
Epoch 4/10
5/5 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: inf
# 只运行了4次
4

4. 批标准化

批标准化(BN层,Batch Normalization)是2015年提出的一种方法,在进行深度网络训练时,大多会采取这种算法,与全连接层一样,BN层也是属于网络中的一层。

BN层是针对单个神经元进行,利用网络训练时一个 mini-batch 的数据来计算该神经元xi 的均值和方差,归一化后并重构,因而称为 Batch Normalization。在每一层输入之前,将数据进行BN,然后再送入后续网络中进行学习:

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首先我们对某一批次的数据的神经元的输出进行标准化,

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然后在使用变换重构,引入了可学习参数γ、β,如果各隐藏层的输入均值在靠近0的区域,即处于激活函数的线性区域,不利于训练非线性神经网络,从而得到效果较差的模型。因此,需要用 γ 和 β 对标准化后的结果做进一步处理:

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这就是BN层最后的结果。整体流程如下图所示:

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在tf.keras中实现使用:

# 直接将其放入构建神经网络的结构中即可
tf.keras.layers.BatchNormalization(
    epsilon=0.001, center=True, scale=True,
    beta_initializer='zeros', gamma_initializer='ones',
)

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总结

  • 知道L2正则化与L1正则化的方法
    在损失函数(cost function)中增加一个正则项,由于添加了这个正则化项,权重矩阵的值减小,因为它假定具有更小权重矩阵的神经网络导致更简单的模型

  • 知道随机失活droupout的应用
    在每个迭代过程中,随机选择某些节点,并且删除前向和后向连接

  • 知道提前停止的使用方法
    当看到验证集的性能越来越差时或者性能不再提升,立即停止对该模型的训练

  • 知道BN层的使用方法
    利用网络训练时一个 mini-batch 的数据来计算该神经元xi 的均值和方差,归一化后并重构,因而称为 Batch Normalization

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