深度学习模型调优方法（Deep Learning学习记录）

深度学习模型的调优，首先需要对各方面进行评估，主要包括定义函数、模型在训练集和测试集拟合效果、交叉验证、激活函数和优化算法的选择等。

那如何对我们自己的模型进行判断呢？——通过模型训练跑代码，我们可以分别从训练集和测试集上看到这个模型造成的损失大小（loss），还有它的精确率（accuracy）。

目录

　　前言

　　1、定义模型函数

　　2、交叉验证（Cross-validation）

　　3、优化算法

　　4、激活函数（activation）

　　5、dropout

　　6、early stopping

　　模型训练实战案例

前言

1. 最初可从分析数据集的特征，选择适合的函数以及优化器。
2. 其次，模型在训练集上的效果。至少模型在训练集上得到理想的效果，模型优化方向：激活函数（activation function）、学习率（learning rate）。
3. 再者，模型在训练集上得到好的效果之后，对测试集上的拟合程度更为重要，因为我们训练之后目的就是去预测并达到好的结果。模型优化方向：正则化（regularization）、丢弃参数（dropout）、提前停止训练（early stopping）。

以下介绍具体的方法和过程，图文结合，一目了然，这样方便学习记忆！

1、定义模型函数

 衡量方法通常用到真实f与预测f*的方差（variance）和偏差（bias），最后对数据集的拟合程度可分为4种情况。如下：

bias/variance	low	high
low	√	模型过于复杂
high	模型过于简单	×

这好比数据模型预测对准靶心后的偏移和分散程度，期望达到的效果就是（low,low）,模型的偏差相当于与目标的偏离程度，而方差就是数据之间的分散程度。

 

 

 定义一个模型函数后结果会遇到（low，high）和（high，low），显然，如果是（high，high）说明函数完全与模型不匹配，可重新考虑其他函数模型。那出现其他情况如何评估这个函数呢？

1. 小偏差，大方差：所谓模型过拟合，在训练数据上得到好的效果，而在测试集上效果并不满意。优化方向：增加数据量；数据正则化处理。增加数据可以提高模型的鲁棒性，不被特殊数据影响整个模型的偏向；正则化是另一种方法，为了减小variance，但直接影响到bias，需要权衡。 
2. 大偏差，小方差：模型过于简单，在训练上没有得到好的效果。优化：增加模型参数（特征）,更好去拟合数据。

2、交叉验证（Cross-validation）

在训练一个模型时候，通常会将数据分为：训练集，测试集，开放集（小型训练集）。这里交叉验证是在训练集上进行的，选择最优模型。

 

 

 

假设一个划分为：

training-set	testing-set
90%	10%

这里进行十折交叉验证，每一轮训练去9份数据作为训练集，1份作为测试集，并且每一轮的训练集与测试集对换，实现了所有数据都作为样本训练，所得到的模型避免了过拟合与低拟

合的问题。

 

 

 K折交叉验证类似。

优点：

（1）每一轮训练中几乎所有的样本数据用于训练模型，这样最接近原始样本的分布，评估所得的结果比较可靠。

（2）训练模型过程中较少随机特殊因素会影响实验数据，鲁棒性更好。

3、优化算法

模型优化算法选择根据要训练的模型以及数据，选择合适的算法，常用优化算法有：Gradient descent，Stochastic gradient descent，Adagrad，Adam，RMSprop。

前两种算法原理好理解，这里给出后面三种的算法原理如图，具体就不介绍了，写代码时候通常直接指定算法就行，算法原理理解就OK啦。

Adagrad

 RMSprop

 

 

 Adam

 

 

 4、激活函数（activation）

选择合适的激活函数对模型训练也有很大的影响，需要适应训练任务，比如任务是二分类、多分类或许更新参数梯度问题等。常用的有：sigmoid、tanh、relu、softmax。

sigmoid

 

 

 功能特点：平滑函数，连续可导，适合二分类，存在梯度消失问题。

tanh

 

 

 功能特点：与sigmoid相同的缺点，存在梯度消失，梯度下降的速度变慢。一般用在二分问题输出层，不在隐藏层中使用。

relu

 

 

功能特点：ReLU在神经网络中使用最广泛的激活函数。根据图像x负半轴的特点，relu不会同时激活所有的神经元，如果输入值是负的，ReLU函数会转换为0，而神经元不被激活。这意味着，在一段时间内，只有少量的神经元被激活，神经网络的这种稀疏性使其变得高效且易于计算。

softmax

 

 

 功能特点：又称归一化指数函数。它是二分类函数sigmoid在多分类上的推广，目的是将多分类的结果以概率的形式展现出来。softmax通常在分类器的输出层使用。

在模型训练任务中激活函数通过指定选择，我们理解原理后帮助选择正确的函数，具体无需自己实现。

5、dropout

它解决深度神经网络的过拟合（overfitting）和梯度消失（gradient vanishing）问题，简单理解就是，当模型在训练集上得到较好的效果，而在测试集效果并不乐观，此时使用dropout对训练时候的参数进行优化调整（减少训练时候的参数），在学习过程中通过将隐含层的部分权重或输出随机归零，降低节点间的相互依赖性，使得模型在测试集上得到较好的结果的一种方法。相当于运用新的神经网络结构训练模型，在模型训练时候可在每一层指定设计。

6、early stopping

在训练时候观察模型在training-set和testing-set上的损失（loss），我们想要得到的模型是在测试时候损失误差更小，训练时候在训练集上可能不是最好的效果，所以需要提前停止保证了模型预测得到较好的结果。理解如图：

 

 

 模型训练实战案例

(X_train, Y_train), (X_test, Y_test) = load_data()
model = keras.Sequential()
model.add(Dense(input_dim=28 * 28, units=690,
                activation='relu'))  # tanh  activation：Sigmoid、tanh、ReLU、LeakyReLU、pReLU、ELU、maxout、softmax
model.add(Dense(units=690, activation='relu'))
model.add(Dense(units=690, activation='relu'))  # tanh

model.add(Dense(units=10, activation='softmax'))
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam',
              metrics=['accuracy'])  # loss:mse,categorical_crossentropy,optimizer: rmsprop 或 adagrad、SGD（此处推荐）
model.fit(X_train, Y_train, batch_size=100, epochs=20)
result = model.evaluate(X_train, Y_train, batch_size=10000)
print('Train ACC:', result[1])
result = model.evaluate(X_test, Y_test, batch_size=10000)
print('Test ACC:', result[1])

案例中深度学习模型调优总结：

前三层sigmoid,输出层softmax，损失函数categorical_crossentropy，优化器SGD，训练集上达到86%
前三层换为relu，隐藏层加10层，其他不变，训练集上达到99.97%，测试集上95.9%，不加10层，Train-acc：100%，Test-acc：95.54%
优化器adam，训练速度提高，99.98%和96.7%

上面模型调优的理论方法，理解之后进行实战演练，可参考上一篇文章《mnist手写数字识别——深度学习入门项目（tensorflow+keras+Sequential模型）》,自行根据理论方法对模型进行调优，体验一下简单深度学习模型训练和模型调优的过程！

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