TensorFlow（7）- 防止过拟合之正则化

 1、过拟合问题

在本系列第三篇文章TensorFlow（3）- 防止过拟合之dropout中已经谈到过过拟合问题：所谓过拟合，指的是当一个模型过为复杂之后，它可以很好地“记忆”每一个训练数据中随机噪音的部分而忘记了要去“学习”训练数据中通用的趋势。举一个极端的例子，如果一个模型中的参数比训练数据的总数还多，那么只要训练数据不冲突，这个模型完全可以记住所有训练数据的结果从而使得损失函数为0。可以直观地想象一个包含n 个变量和n 个等式的方程组，当方程不冲突时，这个方程组是可以通过数学的方法来求解的。然而，过度拟合训练数据中的随机噪音虽然可以得到非常小的损失函数，但是对于未知数据可能无法做出可靠的判断。

除了之前介绍过的dropout来解决这个问题之外，另一非常常用的方法就是我们今天的主角-正则化。

至于为什么正则化之所以能够降低过拟合的原因在于，正则化是结构风险最小化的一种策略实现。

给loss function加上正则化项，能使得新得到的优化目标函数h = f+normal，需要在f和normal中做一个权衡（trade-off），如果还像原来只优化f的情况下，那可能得到一组解比较复杂，使得正则项normal比较大，那么h就不是最优的，因此可以看出加正则项能让解更加简单，符合奥卡姆剃刀理论，同时也比较符合在偏差和方差（方差表示模型的复杂度）分析中，通过降低模型复杂度，得到更小的泛化误差，降低过拟合程度。

L1正则化和L2正则化：

L1正则化就是在loss function后边所加正则项为L1范数，加上L1范数容易得到稀疏解（0比较多）。L2正则化就是loss function后边所加正则项为L2范数的平方，加上L2正则相比于L1正则来说，得到的解比较平滑（不是稀疏），但是同样能够保证解中接近于0（但不是等于0，所以相对平滑）的维度比较多，降低模型的复杂度。

详细的解释和原理请参照：https://zhuanlan.zhihu.com/p/35356992

 2、正则化

正则化的思想就是在损失函数中加入刻画模型复杂程度的指标。假设用于刻画模型在训练数据上表现的损失函数为的，那么在优化时不是直接优化的，而是优化。其中R(w)刻画的是模型的复杂程度，而λ表示模型复杂损失在总损失中的比例。注意这里θ表示的是一个神经网络中所有的参数，它包括边上的权重w和偏置项b。一般来说模型复杂度只由权重w决定。常用的刻画模型复杂度的函数R(w)有两种，一种是LI正则化，计算公式是：

                                                 

另一种是L2 正则化，计算公式是：

                                                                 

无论是哪一种正则化方式，基本的思想都是希望通过限制权重的大小，使得模型不能任意拟合训练数据中的随机噪音。但这两种正则化的方法也有很大的区别。首先，Ll 正则化会让参数变得更稀疏，而L2 正则化不会。所谓参数变得更稀疏是指会有更多的参数变为0 ，这样可以达到类似特征选取的功能。之所以L2 正则化不会让参数变得稀疏的原因是当参数很小时，比如0.001 ，这个参数的平方基本上就可以忽略了，于是模型不会进一步将这个参数调整为0 。其次，LI正则化的计算公式不可导，而L2正则化公式可导。因为在优化时需要计算损失函数的偏导数，所以对含有L2 正则化损失函数的优化要更加简洁。优化带LI正则化的损失函数要更加复杂，而且优化方法也有很多种。在实践中，也可以将LI正则化和L2正则化同时使用,如：

                                                

3、简单的例子

前面我们提到过tensorflow可以优化任意形式的损失函数，所以tensorflow自然也可以优化带正则化的损失函数。以下代码给出了一个简单的带L2正则化的损失函数定义：

# 均方误差损失函数 + L2正则化项

import tensorflowas tf

w= tf.Variable(tf.random_normal([2,1], stddev=1, seed=1))

y= tf.matmul(x, w)

loss= tf.reduce_mean(tf.square(y- y))+ tf.contrib.layers.l2_regularizer(lambda)(w)

在以上程序中，loss 为定义的损失函数，它由两个部分组成。第一个部分是均方误差损失函数，它刻画了模型在训练数据上的表现。第二个部分就是正则化，它防止模型过度模拟训练、数据中的随机噪音。lambda 参数表示了正则化项的权重，也就是公式J（θ）＋λR (w）中的λ。w 为需要计算正则化损失的参数。TensorFlow提供了tf.contrib.layers.12_regularizer函数，它可以返回一个函数，这个函数可以计算一个给定参数的L2正则化项的值。类似的，tf.contrib.layers.l1_regularizer可以计算LI正则化项的值。

本文只是一个引子，更多的信息就请大家自己探索啦

 参考文献：

1.书籍：Tensorflow:实战Google深度学习框架（第二版）

2. L1正则化与L2正则化