2021李宏毅机器学习（3）：类神经网络训练不起来怎么办

1 任务攻略

1.1 如果在训练集上的 loss 始终不够小

• 情况一：model bias（模型本身有很大限制）——构造更复杂的模型
• 情况二：优化问题（使用的优化方法始终没办法优化到 loss 最小值）——更有效的优化方法

如何判断是哪种情况？

• 首先在更容易优化的浅层网络上训练
• 如果深层网络不能在训练集上得到比上面更小的 loss，则是情况二

1.2 如果 loss 在训练集上小，在测试集上大

• 情况一：overfitting——最简单的解决方法就是增加训练数据Data augmentation：
  
  可以对原有数据进行处理，得到新的可以添加进训练集的数据：上面的第一幅图是原图，第二、三幅图是对原图进行反转和局部放大。而第四幅图是图片颠倒，这会让模型识别变得更困难，所以第四幅图的方法是不行的。
  第二种方法是给模型增加限制，比如说模型一定要是二次曲线，但是要注意限制也不要过多。
  如何选择模型？
  
• 情况二：mismatch
  overfitting可以通过增加训练集的数据来解决，但是mismatch的training和testing的分布不一样，不能那样解决
  

1.3 任务攻略的示意图

2 局部最小值 (local minima) 与鞍点 (saddle point)

当 loss 无法下降时，可能梯度已经接近0了，这是，局部最小值 (local minima) 与鞍点 (saddle point)都有可能，它们统称为critical point。
此时，我们需要判断属于哪种情况，计算Hessian即可：

举例：

如果是鞍点 (saddle point)，还可以寻找下降的方向继续训练。

但是其实这种情况很少见。

3 批次（batch）与动量（momentum）

3.1 批次（batch）

小的batch size有更好的结果。

有很多文章想要鱼与熊掌兼得：

3.2 动量（momentum）

有了动量，就不会停留在critical point，而是会继续向下：

以前的梯度下降是这样的：

加上动量以后，就是加上了对前一个动作的考虑，则下一个动作就是前一个动作与前一个动作相结合的结果。

下面的红线是梯度，蓝虚线是动量，蓝实线是前两者结合的结果，可以看到，甚至可能翻越小丘，到达真正的 loss 最小值。

4 自动调整学习率 (Learning Rate)

前面在 loss 不下降的时候，我们说可能是critical point，但是也有可能是下面这种情况：

learning rate应该为每一个参数特制化：

原来的参数的第 $t+1$ 次迭代种中，学习率 $\eta$ 是不变的；而我们修改之后，$\eta$ 变成了 $\frac{\eta }{{\sigma }_i^t}$，这样修改之后，学习率就是 parameter independent 的了，同时也是 iteration independent 的（参数独立、迭代独立）。

4.1 最常见的一种修改学习率的方法是均方根

这种方法被用在Adagrad里面：

当梯度较小时，计算出来的 ${\sigma }_i^t$ 就小，则学习率就大；反之学习率变小。

4.2 可以自己调整现在的gradient的重要性——RMSProp

这种方法通过设置 $\alpha$ 来调整现在的梯度的重要性：

如下图所示：

可以调整 $\alpha$ 比较小，让 ${\sigma }_i^t$ 更依赖 $g_i^t$，这样，当梯度突然由平滑变陡峭的时候，$g_i^t$ 变大，${\sigma }_i^t$ 也变大，就会使这时的步伐变得小一点；同理，梯度再次转为平滑的时候，${\sigma }_i^t$ 就会迅速变小，步伐就会变大。
其实就是让每一步能够根据变化的情况快速反应过来。

4.3 Adam: RMSProp + Momentum

4.4 Learning Rate Scheduling

使学习率 $\eta$ 随时间变化：

4.5 总结

加上前面的3.2，我们采用了三种方法来改进梯度下降：动量、调整学习率的大小、学习率随时间变化。
$m_i^t$ 和 ${\sigma }_i^t$ 不会相互抵消，因为 $m_i^t$ 包括了方向，而 ${\sigma }_i^t$ 只有大小。

5 损失函数 (Loss) 也可能有影响

在分类中，通常会加上softmax：

如果是分类成两类，则更常用sigmoid，但其实这两者的方法结果是一样的。

下面是损失函数：

事实上，交叉熵在分类中是最常用的，在PyTorch中，CrossEntropyLoss这个函数已经包含了softmax，这两者是绑定在一起的。

为什么？

从图中可以看出，当 loss 很大时，MSE很平坦，不能梯度下降到 loss 小的地方，卡住了；但是交叉熵可以一路梯度下降下去。

6 批次标准化（Batch Normalization）

希望对于不同的参数，对 loss 的影响范围都比较均匀，像下面的右图：

方法是特征归一化（Feature Normalization）：

归一化之后，每个维度的特征的平均值为0，方差为1。
一般来说，特征归一化使梯度下降收敛更快。

后一步的输出同样也需要归一化，这些归一化都是针对于一个Batch的：

为了让输出的均值不为0，方差不为1，就会加上 $\beta$ 和 $\gamma$：

$\beta$ 和 $\gamma$ 这两个向量初始值分别是0和1，然后一步步在网络中学习更新，所以一开始的时候，dimension的分布是接近的，后续error surface的表现比较好之后，才会把 $\beta$ 和 $\gamma$ 加进去。

在Testing中：将train的参数用进test中。

一些比较有名的Normalization：