在利用深度学习进行训练的时候,可能会出现过拟合的现象。如下图:
为了尽可能多地使每个点都符合模型,模型会在某些区间变化很剧烈,表现在上图曲线上就是在这些区间的导数较大。也就是说,得到的模型的参数比较大(通常会比真实的参数更大)。为了避免这种情况发生,可以通过加入约束条件来限制模型参数的选择范围。比较常用的就是在损失函数中加入正则化模型来限制模型容量。
权重衰减(weight decay)是最⼴泛使⽤的正则化的技术之⼀,它通常也被称为L2正则化,其表达式如下:
这里加入的可以约束w的大小,越大,对w的约束越大。加入次约束条件后,随机梯度下降更新如下:
从上式中可以看到,在进行权重更新的过程中先将w降低再减去w的梯度,权重的选择范围变小。
手动实现权重衰退代码如下:
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
# ******************************************** 生成数据集 *****************************************************************
n_train, n_test, num_inputs, batch_size = 20, 100, 200, 5
true_w, true_b = torch.ones((num_inputs, 1)) * 0.01, 0.05
train_data = d2l.synthetic_data(true_w, true_b, n_train)
test_data = d2l.synthetic_data(true_w, true_b, n_test)
train_iter = d2l.load_array(train_data, batch_size)
test_iter = d2l.load_array(test_data, batch_size, is_train=False)
# ******************************************** 初始化模型 *****************************************************************
def init_params():
w = torch.normal(0, 1, size=(num_inputs, 1), requires_grad=True)
b = torch.zeros(1, requires_grad=True)
return [w, b]
# ******************************************** 定义惩罚项 *****************************************************************
def l2_penalty(w):
return torch.sum(w.pow(2)) / 2
# ******************************************* 训练 ***********************************************************************
def train(lambd):
w, b = init_params()
net, loss = lambda x: d2l.linreg(x, w, b), d2l.squared_loss
num_epochs, lr = 100, 0.003
animator = d2l.Animator(xlabel='epochs', ylabel='loss', yscale='log', xlim=[5, num_epochs], legend=['train', 'test'])
for epoch in range(num_epochs):
for x, y in train_iter:
l = loss(net(x), y) + lambd * l2_penalty(w) # 计算损失
l.sum().backward()
d2l.sgd([w, b], lr, batch_size)
if (epoch + 1) % 5 == 0:
animator.add(epoch+1, (d2l.evaluate_loss(net, train_iter, loss), d2l.evaluate_loss(net, test_iter, loss)))
print('w的L2范数是:', torch.norm(w).item())
d2l.plt.show()
if __name__ == "__main__":
train(lambd=0) # 衰退系数为0,即不使用权重衰退
train(lambd=3) # 衰退系数为3
运行结果如下:(上面的是lambd=0,下面的是lambd=3)
简洁实现如下:
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
def train_concise(wd):
n_train, n_test, num_inputs, batch_size = 20, 100, 200, 5
true_w, true_b = torch.ones((num_inputs, 1)) * 0.01, 0.05
train_data = d2l.synthetic_data(true_w, true_b, n_train)
test_data = d2l.synthetic_data(true_w, true_b, n_test)
train_iter = d2l.load_array(train_data, batch_size)
test_iter = d2l.load_array(test_data, batch_size, is_train=False)
net = nn.Sequential(nn.Linear(num_inputs, 1))
for param in net.parameters():
param.data.normal_()
loss = nn.MSELoss(reduction='none')
num_epochs, lr = 100, 0.003
# 这里偏置参数bias没有衰退
trainer = torch.optim.SGD([
{"params": net[0].weight, 'weight_decay': wd},
{"params": net[0].bias}], lr=lr)
animator = d2l.Animator(xlabel='epochs', ylabel='loss', yscale='log',
xlim=[5, num_epochs], legend=['train', 'test'])
for epoch in range(num_epochs):
for x, y in train_iter:
trainer.zero_grad()
l = loss(net(x), y)
l.mean().backward()
trainer.step()
if (epoch + 1) % 5 == 0:
animator.add(epoch + 1,
(d2l.evaluate_loss(net, train_iter, loss),
d2l.evaluate_loss(net, test_iter, loss)))
print('w的L2范数是:', net[0].weight.norm().item())
d2l.plt.show()
if __name__ == "__main__":
train_concise(0)
train_concise(3)