深度学习面试基础--训练参数更新方法

引言

神经网络的学习的目的是找到使损失函数的值尽可能小的参数。这是寻找最优参数的问题，解决这个问题的过程称为最优化（optimization）。

1.SGD

SGD就是最常听到的随机梯度下降方法，是使用参数的梯度，然后沿梯度的方向更新参数，并重读这个步骤多次，从而逐渐靠近最优参数。

随机梯度下降是用单个训练样本的损失来近似平均损失。通常使用一个batch的损失进行梯度下降，当训练数据太多时，利用整个数据集更新往往时间上不显示。batch的方法可以减少机器的压力，并且可以更快地收敛当训练集有很多冗余时（类似的样本出现多次），batch方法收敛更快。以一个极端情况为例，若训练集前一半和后一半梯度相同。那么如果前一半作为一个batch，后一半作为另一个batch，那么在一次遍历训练集时，batch的方法向最优解前进两个step，而整体的方法只前进一个step。

更新方法：

如式所示，SGD是朝着梯度方向只前进一定距离的简单方法。

缺点

（1）SGD依赖于一个较好的学习率，并且容易陷入局部最优

（2）如果函数的形状是非均向(anisotropic)的，比如呈延申状，搜索的路径就会变得非常的低效。根本原因是，这种函数形状下，梯度的方向并没有指向最小值的方向。如下图所示，虽然最小值在(x,y)=(0,0)处，但梯度在很多地方并没有指向(0,0)，SGD呈“之”字形移动，这是一个非常低效的路径。

算法流程：

2.动量法(Momentum update)

momentum即动量，它模拟的是物体运动时的惯性，即更新的是时候在一定程度上保留之前更新的方向，同时利用当前batch的梯度微调最终的更新方向。这样一来，可以在一定程度上增加稳定性，从而更快的学习，并且还有一定摆脱局部最优的能力。

想象一下纸团在山谷和鞍点处的运动轨迹，在山谷中纸团受重力作用沿山道滚下，两边是不规则的山壁，纸团不可避免地撞在山壁，由于质量小受山壁弹力的干扰大，从一侧山壁反弹回来撞向另一侧山壁，结果来回震荡地滚下；如果当纸团来到鞍点的一片平坦之地时，还是由于质量小，速度很快减为零。纸团的情况和随机梯度下降法遇到的问题简直如出一辙。直观地，如果换成一个铁球，当沿山谷滚下时，不容易受到途中旁力的干扰，轨迹会更稳更直；当来到鞍点中心处，在惯性作用下继续前行，从而有机会冲出这片平坦的陷阱。因此，有了动量方法，模型参数的迭代公式为

公式：

v 对应物理上的速度。式1表示了物体在梯度方向上受力，在这个力的作用下，物体的速度增加这一物理法则。αv 这一项，在物体不受任何力时，承担使物体逐渐减速的任务（α 设定为0.9之类的值），对应物理上的地面摩擦或空气阻力

算法流程：

3.Nesterov Momentum

Nesterov Momentum 是对 Momentum 的改进，可以理解为 Nesterov 动量在标准动量方法中添加了一个校正因子

算法流程：

可以看出Nesterov相比Momentum唯一的区别就是多了一步红色框起来的步骤，在计算梯度之前先进行一次临时更新得到的θ，然后用新的θ来计算梯度。

4.AdaGrad(Adaptive Gradient)

在神经网络的训练过程中，学习率的值很重要。如果学习率过小，会导致学习花费过多的时间；反之，学习率过大，则会导致学习发散而不能正确进行。在关于学习率的有效技巧中，有一种被成为“学习率衰减”的方法，即随着学习的进行，学习率逐渐减小。

AdaGrad 会为参数的每个元素适当地调整学习率，与此同时进行学习。AdaGrad方法采用“历史梯度平方和”来衡量不同参数的梯度的稀疏性，取值越小表明越稀疏。

公式：


缺点：
学习越深入，更新的幅度就越小。实际上，如果一直学下去，权重将不会再更新。

算法流程：

5.Adam

Momentum参照小球在碗中滚动的物理规则进行移动，AdaGrad为参数的每个元素适当的调整更新步伐。Adam方法将两者结合。

一方面，Adam记录梯度的一阶矩，即过往梯度与当前梯度的平均，这体现了惯性保持；另一方面，Adam还记录了梯度的二阶矩，即国王梯度平方与当前梯度平方的平均，这类似AdaGrad方法为不同参数产生自适应的学习速率。一阶矩和二阶矩采用类似于滑动窗口内求平均的思想进行融合，即当前梯度和近一段时间内梯度的平均值，时间久远的梯度对当前平均值的贡献呈指数衰减。

公式：

其中β1 ，β2 为衰减系数，mt是一阶矩，vt是二阶矩。

参考链接：

1. https://blog.csdn.net/weixin_42437114/article/details/106538321
2. https://www.jianshu.com/p/b8d1870eddf6
3. https://blog.csdn.net/weixin_42462804/article/details/104941590