NNDL 实验七 循环神经网络（2）梯度爆炸实验

6.2 梯度爆炸实验

造成简单循环网络较难建模长程依赖问题的原因有两个：梯度爆炸和梯度消失。

梯度爆炸问题：比较容易解决，一般通过权重衰减或梯度截断可以较好地来避免；

梯度消失问题：更加有效的方式是改变模型，比如通过长短期记忆网络LSTM来进行缓解。

本节将首先进行复现简单循环网络中的梯度爆炸问题，然后尝试使用梯度截断的方式进行解决。

采用长度为20的数据集进行实验，

训练过程中将进行输出W,U,b的梯度向量的范数，以此来衡量梯度的变化情况。

6.2.1 梯度打印函数

在训练过程中打印梯度

分别定义W_list, U_list和b_list，用于分别存储训练过程中参数W,U和b的梯度范数。

W_list = []
U_list = []
b_list = []
# 计算梯度范数
def custom_print_log(runner):
    model = runner.model
    W_grad_l2, U_grad_l2, b_grad_l2 = 0, 0, 0
    for name, param in model.named_parameters():
        if name == "rnn_model.W":
            W_grad_l2 = torch.norm(param.grad, p=2).numpy()
        if name == "rnn_model.U":
            U_grad_l2 = torch.norm(param.grad, p=2).numpy()
        if name == "rnn_model.b":
            b_grad_l2 = torch.norm(param.grad, p=2).numpy()
    print(f"[Training] W_grad_l2: {W_grad_l2:.5f}, U_grad_l2: {U_grad_l2:.5f}, b_grad_l2: {b_grad_l2:.5f} ")
    W_list.append(W_grad_l2)
    U_list.append(U_grad_l2)
    b_list.append(b_grad_l2)

【思考】什么是范数，什么是L2范数，这里为什么要打印梯度范数？

• 范数
  范数，是具有“距离”概念的函数。我们知道距离的定义是一个宽泛的概念，只要满足非负、自反****、三角不等式就可以称之为距离。范数是一种强化了的距离概念，它在定义上比距离多了一条数乘的运算法则。有时候为了便于理解，我们可以把范数当作距离来理解。

在数学上，范数包括向量范数和矩阵范数，向量范数表征向量空间中向量的大小，矩阵范数表征矩阵引起变化的大小。一种非严密的解释就是，对应向量范数，向量空间中的向量都是有大小的，这个大小如何度量，就是用范数来度量的，不同的范数都可以来度量这个大小，就好比米和尺都可以来度量远近一样；对于矩阵范数，学过线性代数，我们知道，通过运算AX=B，可以将向量X变化为B，矩阵范数就是来度量这个变化大小的。

• L2范数
  L2范数是我们最常见最常用的范数了，我们用的最多的度量距离欧氏距离就是一种L2范数，L2范数是指向量各元素的平方和然后求平方根，它的定义如下：
  表示向量元素的平方和再开平方。
  像L1范数一样，L2也可以度量两个向量间的差异，如平方差和（Sum of Squared Difference）:
  
  对于L2范数，它的优化问题如下：
  L2范数通常会被用来做优化目标函数的正则化项，防止模型为了迎合训练集而过于复杂造成过拟合的情况，从而提高模型的泛化能力。
• 为什么要打印梯度范数
  函数在某一点处的方向导数在其梯度方向上达到最大值,此最大值即梯度的范数。 而模型的学习过程是通过使用训练数据来最小化损失函数，从而确定参数的值。而最小化损失函数，即通过求导求损失函数的极值。打印梯度范数值可以帮助我们更直观地了解模型训练情况的好坏，梯度过大或过小都有可能导致模型的训练效果变差，因此打印梯度范数有利于我们更快地对模型作出修改。

6.2.2 复现梯度爆炸现象

为了更好地复现梯度爆炸问题，使用SGD优化器将批大小和学习率调大，学习率为0.2，同时在计算交叉熵损失时，将reduction设置为sum，表示将损失进行累加。

获取训练过程中关于W，U和b参数梯度的L2范数，并将其绘制为图片以便展示。

因为Tanh为Sigmoid型函数，其饱和区的导数接近于0，

由于梯度的急剧变化，参数数值变的较大或较小，容易落入梯度饱和区，导致梯度为0，模型很难继续训练.
代码如下：

import os
import random
import torch
import numpy as np

np.random.seed(0)
random.seed(0)
torch.seed()

# 训练轮次
num_epochs = 50
# 学习率
lr = 0.2
# 输入数字的类别数
num_digits = 10
# 将数字映射为向量的维度
input_size = 32
# 隐状态向量的维度
hidden_size = 32
# 预测数字的类别数
num_classes = 19
# 批大小 
batch_size = 64
# 模型保存目录
save_dir = "./checkpoints"


# 可以设置不同的length进行不同长度数据的预测实验
length = 20
print(f"\n====> Training SRN with data of length {length}.")

# 加载长度为length的数据
data_path = f"./datasets/{length}"
train_examples, dev_examples, test_examples = load_data(data_path)
train_set, dev_set, test_set = DigitSumDataset(train_examples), DigitSumDataset(dev_examples),DigitSumDataset(test_examples)
train_loader = DataLoader(train_set, batch_size=batch_size)
dev_loader = DataLoader(dev_set, batch_size=batch_size)
test_loader = DataLoader(test_set, batch_size=batch_size)
# 实例化模型
base_model = SRN(input_size, hidden_size)
model = Model_RNN4SeqClass(base_model, num_digits, input_size, hidden_size, num_classes) 
# 指定优化器
optimizer = torch.optim.SGD(lr=lr, params=model.parameters())
# 定义评价指标
metric = Accuracy()
# 定义损失函数
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss(reduction="sum")

# 基于以上组件，实例化Runner
runner = RunnerV3(model, optimizer, loss_fn, metric)

# 进行模型训练
model_save_path = os.path.join(save_dir, f"srn_explosion_model_{length}.pdparams")
runner.train(train_loader, dev_loader, num_epochs=num_epochs, eval_steps=100, log_steps=1, 
             save_path=model_save_path, custom_print_log=custom_print_log)

运行结果：

获取训练过程中关于W，U和b参数梯度的L2范数，并将其绘制为图片以便展示。

import matplotlib.pyplot as plt
def plot_grad(W_list, U_list, b_list, save_path, keep_steps=40):
    # 开始绘制图片
    plt.figure()
    # 默认保留前40步的结果
    steps = list(range(keep_steps))
    plt.plot(steps, W_list[:keep_steps], "r-", color="#e4007f", label="W_grad_l2")
    plt.plot(steps, U_list[:keep_steps], "-.", color="#f19ec2", label="U_grad_l2")
    plt.plot(steps, b_list[:keep_steps], "--", color="#000000", label="b_grad_l2")

    plt.xlabel("step")
    plt.ylabel("L2 Norm")
    plt.legend(loc="upper right")
    plt.show()
    plt.savefig(save_path)
    print("image has been saved to: ", save_path)

save_path = f"./images/6.8.pdf"
plot_grad(W_list, U_list, b_list, save_path)

运行结果：

接下来，使用梯度截断策略的模型在测试集上进行测试。

# 加载训练过程中效果最好的模型
model_path = os.path.join(save_dir, "srn_explosion_model_20.pdparams")
runner.load_model(model_path)

# 使用测试集评价模型，获取测试集上的预测准确率
score, _ = runner.evaluate(test_loader)
print(f"[SRN] length:{length}, Score: {score: .5f}")

运行结果：

6.2.3 使用梯度截断解决梯度爆炸问题

梯度截断是一种可以有效解决梯度爆炸问题的启发式方法，

当梯度的模大于一定阈值时，就将它截断成为一个较小的数。

一般有两种截断方式：按值截断和按模截断．

本实验使用按模截断的方式解决梯度爆炸问题。
将RunnerV3修改如下：

class RunnerV3(object):
    def __init__(self, model, optimizer, loss_fn, metric, **kwargs):
        self.model = model
        self.optimizer = optimizer
        self.loss_fn = loss_fn
        self.metric = metric  # 只用于计算评价指标

        # 记录训练过程中的评价指标变化情况
        self.dev_scores = []

        # 记录训练过程中的损失函数变化情况
        self.train_epoch_losses = []  # 一个epoch记录一次loss
        self.train_step_losses = []  # 一个step记录一次loss
        self.dev_losses = []

        # 记录全局最优指标
        self.best_score = 0

    def train(self, train_loader, dev_loader=None, **kwargs):
        # 将模型切换为训练模式
        self.model.train()

        # 传入训练轮数，如果没有传入值则默认为0
        num_epochs = kwargs.get("num_epochs", 0)
        # 传入log打印频率，如果没有传入值则默认为100
        log_steps = kwargs.get("log_steps", 100)
        # 评价频率
        eval_steps = kwargs.get("eval_steps", 0)

        # 传入模型保存路径，如果没有传入值则默认为"best_model.pdparams"
        save_path = kwargs.get("save_path", "best_model.pdparams")

        custom_print_log = kwargs.get("custom_print_log", None)

        # 训练总的步数
        num_training_steps = num_epochs * len(train_loader)

        if eval_steps:
            if self.metric is None:
                raise RuntimeError('Error: Metric can not be None!')
            if dev_loader is None:
                raise RuntimeError('Error: dev_loader can not be None!')

        # 运行的step数目
        global_step = 0

        # 进行num_epochs轮训练
        for epoch in range(num_epochs):
            # 用于统计训练集的损失
            total_loss = 0
            for step, data in enumerate(train_loader):
                X, y = data
                # 获取模型预测
                logits = self.model(X)
                loss = self.loss_fn(logits, y.long())  # 默认求mean
                total_loss += loss

                # 训练过程中，每个step的loss进行保存
                self.train_step_losses.append((global_step, loss.item()))

                if log_steps and global_step % log_steps == 0:
                    print(
                        f"[Train] epoch: {epoch}/{num_epochs}, step: {global_step}/{num_training_steps}, loss: {loss.item():.5f}")

                # 梯度反向传播，计算每个参数的梯度值
                loss.backward()

                if custom_print_log:
                    custom_print_log(self)

                # 小批量梯度下降进行参数更新
                nn.utils.clip_grad_norm_(parameters=model.parameters(), max_norm=20, norm_type=2)
                self.optimizer.step()
                # 梯度归零
                self.optimizer.zero_grad()

                # 判断是否需要评价
                if eval_steps > 0 and global_step > 0 and \
                        (global_step % eval_steps == 0 or global_step == (num_training_steps - 1)):

                    dev_score, dev_loss = self.evaluate(dev_loader, global_step=global_step)
                    print(f"[Evaluate]  dev score: {dev_score:.5f}, dev loss: {dev_loss:.5f}")

                    # 将模型切换为训练模式
                    self.model.train()

                    # 如果当前指标为最优指标，保存该模型
                    if dev_score > self.best_score:
                        self.save_model(save_path)
                        print(
                            f"[Evaluate] best accuracy performence has been updated: {self.best_score:.5f} --> {dev_score:.5f}")
                        self.best_score = dev_score

                global_step += 1

            # 当前epoch 训练loss累计值
            trn_loss = (total_loss / len(train_loader)).item()
            # epoch粒度的训练loss保存
            self.train_epoch_losses.append(trn_loss)

        print("[Train] Training done!")

    # 模型评估阶段，使用'torch.no_grad()'控制不计算和存储梯度
    @torch.no_grad()
    def evaluate(self, dev_loader, **kwargs):
        assert self.metric is not None

        # 将模型设置为评估模式
        self.model.eval()

        global_step = kwargs.get("global_step", -1)

        # 用于统计训练集的损失
        total_loss = 0

        # 重置评价
        self.metric.reset()

        # 遍历验证集每个批次
        for batch_id, data in enumerate(dev_loader):
            X, y = data

            # 计算模型输出
            logits = self.model(X)

            # 计算损失函数
            loss = self.loss_fn(logits, y.long()).item()
            # 累积损失
            total_loss += loss

            # 累积评价
            self.metric.update(logits, y)

        dev_loss = (total_loss / len(dev_loader))
        dev_score = self.metric.accumulate()

        # 记录验证集loss
        if global_step != -1:
            self.dev_losses.append((global_step, dev_loss))
            self.dev_scores.append(dev_score)

        return dev_score, dev_loss

    # 模型评估阶段，使用'torch.no_grad()'控制不计算和存储梯度
    @torch.no_grad()
    def predict(self, x, **kwargs):
        # 将模型设置为评估模式
        self.model.eval()
        # 运行模型前向计算，得到预测值
        logits = self.model(x)
        return logits

    def save_model(self, save_path):
        torch.save(self.model.state_dict(), save_path)

    def load_model(self, model_path):
        state_dict = torch.load(model_path)
        self.model.load_state_dict(state_dict)


from torch.utils.data import Dataset,DataLoader
class DigitSumDataset(Dataset):
    def __init__(self, data):
        self.data = data

    def __getitem__(self, idx):
        example = self.data[idx]
        seq = torch.tensor(example[0], dtype=torch.int64)
        label = torch.tensor(example[1], dtype=torch.int64)
        return seq, label

    def __len__(self):
        return len(self.data)

运行结果：

引入按模截断的策略之后，模型训练时参数梯度的变化情况。可以看到，随着迭代步骤的进行，梯度始终保持在一个有值的状态，表明按模截断能够很好地解决梯度爆炸的问题。

接下来，使用梯度截断策略的模型在测试集上进行测试：

print(f"Evaluate SRN with data length {length}.")

# 加载训练过程中效果最好的模型
model_path = os.path.join(save_dir, "srn_explosion_model_20.pdparams")
runner.load_model(model_path)

# 使用测试集评价模型，获取测试集上的预测准确率
score, _ = runner.evaluate(test_loader)
print(f"[SRN] length:{length}, Score: {score: .5f}")

运行结果：

由于为复现梯度爆炸现象，改变了学习率，优化器等，因此准确率相对比较低。但由于采用梯度截断策略后，在后续训练过程中，模型参数能够被更新优化，因此准确率有一定的提升。

【思考题】梯度截断解决梯度爆炸问题的原理是什么？
将梯度约束在某一个区间之内，在训练的过程中，在优化器更新之前进行梯度截断操作解决梯度爆炸问题。

梯度裁剪是解决梯度爆炸的一种技术，其出发点是非常简明的：如果梯度变得非常大，那么我们就调节它使其保持较小的状态。精确的说，如果 ∥ g ∥ ≥ c，则

g←c⋅g/∥g∥

此处的c指超参数， g 指梯度， ∥ g ∥ 为梯度的范数， g / ∥ g ∥ 必然是个单位矢量，因此在进行调节后新的梯度范数必然等于c，注意到如果 ∥ g ∥ ≤ c 则不需要进行调节。

梯度裁剪确保了梯度矢量的最大范数（本文中规定为c）。即使在模型的损失函数不规则时，这一技巧也有助于梯度下降保持合理的行为。下面的图片展示了损失函数的陡崖。不采用裁剪，参数将会沿着梯度下降方向剧烈变化，导致其离开了最小值范围；而使用裁剪后参数变化将被限制在一个合理范围内，避免了上面的情况。

总结

本次实验主要学习神经网络梯度爆炸众多解决办法中的梯度截断。了解了梯度截断解决梯度爆炸问题的原理，了解了梯度裁剪是解决梯度爆炸的一种简单高效的方法，并且梯度裁剪可以应用于所有神经网络的训练中（任何可能发生梯度爆炸的训练过程都适用）。

参考

什么是范数（norm）？以及L1,L2范数的简单介绍

解决 “梯度爆炸” 的方法 - 梯度裁剪