深度学习基础--BP和训练--局部最优和鞍点

局部最优和鞍点

  造成神经网络难以优化的一个重要（乃至主要）原因不是高维优化问题中有很多局部极值，而是存在大量鞍点。
  吴恩达视频中讲的，虽然没有理论的证明，局部最小值就是全局最小值，但是很多实际的经验告诉我们，最后，只能收敛到一个最小值，也就是说，很多现实实际问题是只有一个最小值的。但这个最小值通常是鞍点。

认识鞍点的历史

  BP算法自八十年代发明以来，一直是神经网络优化的最基本的方法。神经网络普遍都是很难优化的，尤其是当中间隐含层神经元的个数较多或者隐含层层数较多的时候。长期以来，人们普遍认为，这是因为较大的神经网络中包含很多局部极小值（local minima），使得算法容易陷入到其中某些点。这种看法持续二三十年，至少数万篇论文中持有这种说法。举个例子，如著名的Ackley函数 。对于基于梯度的算法，一旦陷入到其中某一个局部极值，就很难跳出来了。

  到2014年，一篇论文《Identifying and attacking the saddle point problem in high-dimensional non-convex optimization》（https://arxiv.org/pdf/1406.2572v1.pdf）。
  指出高维优化问题中根本没有那么多局部极值。作者依据统计物理，随机矩阵理论和神经网络理论的分析，以及一些经验分析提出高维非凸优化问题之所以困难，是因为存在大量的鞍点（梯度为零并且Hessian矩阵特征值有正有负）而不是局部极值。

  这个问题目前仍有讨论，不过大体上人们接受了这种观点，即造成神经网络难以优化的一个重要（乃至主要）原因是存在大量鞍点。造成局部极值这种误解的原因在于，人们把低维的直观认识直接推到高维的情况。在一维情况下，局部极值是仅有的造成优化困难的情形（Hessian矩阵只有一个特征值）。该如何处理这种情况，目前似乎没有特别有效的方法。

理解鞍点，以及如何有效地避开它们

  大家都知道局部最小值是我们的克星，所以一个重要的问题就是如何避免局部最小值。但问题并不明显，有很多机器学习的问题没有局部最小值。即使你有局部最小值，梯度下降似乎可以轻松回避它们。神经网络如果足够大的话就会有足够的冗余，要做到这一点并不难。达到零就是全局最优解。
  如果一个回路的局部最大值不是问题，它的鞍点是剩下需要解决的。
  鞍点在这些体系结构中大量存在，不论是在简单的模型还是在神经网络中。它们会导致学习曲线变平。你会经常看到一个学习曲线下降很快，之后很久都是平的。这就是靠近鞍点的表现。最终你会逃离鞍点。
  继续下去，你可能会碰到另一个鞍点。你会看到一个学习曲线，它这样上升和下降。某种意义上，这不是问题，如果你最终得到正确答案。但是你可能会碰到一个鞍点并在那里停滞很长一段时间，时间过久，以至于你都不知道在某个地方能找到更好的答案。特别是如果你没有那么多时间来运行你的算法。所以你可以在多维度中理解这个。

  让我给你们看一张鞍点的图片。在左边我们有一个“严格”的鞍点。有一个负曲率的方向，这个负曲率是严格小于零的。在右边，它是个非严格鞍点，但第二个特征值严格为零。

如何逃离鞍点？

  如果你沿着中间部分往下走，你最终会摆脱它，但这可能需要很长时间。这只是两个维度上，但如果你有上十万甚至上百万维度呢？就像现在一般的研究中一样。在这种情况下，可能只有一条出路，其他的方向都不行，所以要找到逃逸的方向可能要花很长时间。当维度越来越大的时候，就有问题了。基于梯度下降的算法可能会有麻烦。
  只用一阶导数是难以区分最优点和鞍点的。但如果你有一个海森矩阵，这个问题将会消失，因为你会知道所有的方向，但你必须计算一个海森矩阵的特征向量。这两种情况都不好，因为它太复杂了也太慢。所以，梯度方法是个问题。

  我们想一下，最优点和鞍点的区别不就在于其在各个维度是否都是最低点嘛～只要某个一阶导数为0的点在某个维度上是最高点而不是最低点，那它就是鞍点。而区分最高点和最低点当然就是用二阶导数（斜率从负变正的过程当然就是“下凸”，即斜率的导数大于0，即二阶导数大于0。反之则为“上凹”，二阶导数小于0）。也就是说，若某个一阶导数为0的点在至少一个方向上的二阶导数小于0，那它就是鞍点啦。
  那么二阶导数大于0和小于0的概率各是多少呢？由于我们并没有先验知识，因此按照最大熵原理，我们认为二阶导数大于和小于0的概率均为0.5！

  那么对于一个有n个参数的机器学习/深度学习模型，“loss曲面”即位于n+1维空间（loss值为纵轴，n个参数为n个横轴）。在这个空间里，如果我们通过梯度下降法一路下滑终于滑到了一个各方向导数均为0的点，那么它为局部最优点的概率即0.5^ n，为鞍点的概率为1-0.5^n，显然，当模型参数稍微一多，即n稍微一大，就会发现这个点为鞍点的概率会远大于局部最优点！

实际操作中避开鞍点

  使用的mini-batch梯度下降法本身就是有噪声的梯度估计，哪怕我们位于梯度为0的点，也经常在某个mini-batch下的估计把它估计偏了，导致往前或者往后挪了一步摔下马鞍，也就是mini-batch的梯度下降法使得模型很容易逃离特征空间中的鞍点。

  更多的，我们可以从以下方面考虑：
  1）如何去设计一个尽量没有“平坦区”等危险地形的loss空间，即着手于loss函数的设计以及深度学习模型的设计；
  2）尽量让模型的初始化点远离空间中的危险地带，让最优化游戏开始于简单模式，即着手于模型参数的初始化策略；
  3）让最优化过程更智能一点，该加速冲时加速冲，该大胆跳跃时就大胆跳，该慢慢踱步时慢慢走，对危险地形有一定的判断力，如梯度截断策略；
  4）开外挂，本来下一步要走向死亡的，结果被外挂给拽回了安全区，如batch normalization策略等。