深度学习中的优化算法之RMSProp

      之前在https://blog.csdn.net/fengbingchun/article/details/124766283 中介绍过深度学习中的优化算法AdaGrad，这里介绍下深度学习的另一种优化算法RMSProp。

      RMSProp全称为Root Mean Square Propagation，是一种未发表的自适应学习率方法，由Geoff Hinton提出，是梯度下降优化算法的扩展。如下图所示，截图来自：https://arxiv.org/pdf/1609.04747.pdf

     

       AdaGrad的一个限制是，它可能会在搜索结束时导致每个参数的步长(学习率)非常小，这可能会大大减慢搜索进度，并且可能意味着无法找到最优值。RMSProp和Adadelta都是在同一时间独立开发的，可认为是AdaGrad的扩展，都是为了解决AdaGrad急剧下降的学习率问题。

      RMSProp采用了指数加权移动平均(exponentially weighted moving average)。

      RMSProp比AdaGrad只多了一个超参数，其作用类似于动量(momentum)，其值通常置为0.9。

      RMSProp旨在加速优化过程，例如减少达到最优值所需的迭代次数，或提高优化算法的能力，例如获得更好的最终结果。

      以下是与AdaGrad不同的代码片段：

      1.在原有枚举类Optimizaiton的基础上新增RMSProp：

enum class Optimization {
	BGD, // Batch Gradient Descent
	SGD, // Stochastic Gradient Descent
	MBGD, // Mini-batch Gradient Descent
	SGD_Momentum, // SGD with Momentum
	AdaGrad, // Adaptive Gradient
	RMSProp // Root Mean Square Propagation
};

      2.calculate_gradient_descent函数：RMSProp与AdaGrad只有g[j]的计算不同

void LogisticRegression2::calculate_gradient_descent(int start, int end)
{
	switch (optim_) {
		case Optimization::RMSProp: {
			int len = end - start;
			std::vector g(feature_length_, 0.);
			std::vector z(len, 0), dz(len, 0);
			for (int i = start, x = 0; i < end; ++i, ++x) {
				z[x] = calculate_z(data_->samples[random_shuffle_[i]]);
				dz[x] = calculate_loss_function_derivative(calculate_activation_function(z[x]), data_->labels[random_shuffle_[i]]);

				for (int j = 0; j < feature_length_; ++j) {
					float dw = data_->samples[random_shuffle_[i]][j] * dz[x];
					g[j] = mu_ * g[j] + (1. - mu_) * (dw * dw);
					w_[j] = w_[j] - alpha_ * dw / (std::sqrt(g[j]) + eps_);
				}

				b_ -= (alpha_ * dz[x]);
			}
		}
			break;
		case Optimization::AdaGrad: {
			int len = end - start;
			std::vector g(feature_length_, 0.);
			std::vector z(len, 0), dz(len, 0);
			for (int i = start, x = 0; i < end; ++i, ++x) {
				z[x] = calculate_z(data_->samples[random_shuffle_[i]]);
				dz[x] = calculate_loss_function_derivative(calculate_activation_function(z[x]), data_->labels[random_shuffle_[i]]);

				for (int j = 0; j < feature_length_; ++j) {
					float dw = data_->samples[random_shuffle_[i]][j] * dz[x];
					g[j] += dw * dw;
					w_[j] = w_[j] - alpha_ * dw / (std::sqrt(g[j]) + eps_);
				}

				b_ -= (alpha_ * dz[x]);
			}
		}
			break;
		case Optimization::SGD_Momentum: {
			int len = end - start;
			std::vector change(feature_length_, 0.);
			std::vector z(len, 0), dz(len, 0);
			for (int i = start, x = 0; i < end; ++i, ++x) {
				z[x] = calculate_z(data_->samples[random_shuffle_[i]]);
				dz[x] = calculate_loss_function_derivative(calculate_activation_function(z[x]), data_->labels[random_shuffle_[i]]);

				for (int j = 0; j < feature_length_; ++j) {
					float new_change = mu_ * change[j] - alpha_ * (data_->samples[random_shuffle_[i]][j] * dz[x]);
					w_[j] += new_change;
					change[j] = new_change;
				}

				b_ -= (alpha_ * dz[x]);
			}
		}
			break;
		case Optimization::SGD:
		case Optimization::MBGD: {
			int len = end - start;
			std::vector z(len, 0), dz(len, 0);
			for (int i = start, x = 0; i < end; ++i, ++x) {
				z[x] = calculate_z(data_->samples[random_shuffle_[i]]);
				dz[x] = calculate_loss_function_derivative(calculate_activation_function(z[x]), data_->labels[random_shuffle_[i]]);

				for (int j = 0; j < feature_length_; ++j) {
					w_[j] = w_[j] - alpha_ * (data_->samples[random_shuffle_[i]][j] * dz[x]);
				}

				b_ -= (alpha_ * dz[x]);
			}
		}
			break;
		case Optimization::BGD:
		default: // BGD
			std::vector z(m_, 0), dz(m_, 0);
			float db = 0.;
			std::vector dw(feature_length_, 0.);
			for (int i = 0; i < m_; ++i) {
				z[i] = calculate_z(data_->samples[i]);
				o_[i] = calculate_activation_function(z[i]);
				dz[i] = calculate_loss_function_derivative(o_[i], data_->labels[i]);

				for (int j = 0; j < feature_length_; ++j) {
					dw[j] += data_->samples[i][j] * dz[i]; // dw(i)+=x(i)(j)*dz(i)
				}
				db += dz[i]; // db+=dz(i)
			}

			for (int j = 0; j < feature_length_; ++j) {
				dw[j] /= m_;
				w_[j] -= alpha_ * dw[j];
			}

			b_ -= alpha_*(db/m_);
	}
}

      执行结果如下图所示：测试函数为test_logistic_regression2_gradient_descent，多次执行每种配置，最终结果都相同。图像集使用MNIST，其中训练图像总共10000张，0和1各5000张，均来自于训练集；预测图像总共1800张，0和1各900张，均来自于测试集。在它们学习率为0.01及其它配置参数相同的情况下，AdaGrad耗时为17秒，RMSProp耗时为33秒；它们的识别率均为100%。当学习率调整为0.001时，AdaGrad耗时为26秒，RMSProp耗时为19秒；它们的识别率均为100%。

      GitHub： https://github.com/fengbingchun/NN_Test