2022李宏毅机器学习深度学习学习笔记第八周--batch和momentum

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摘要

本节主要讲述了batch和momentum，主要讲述为什么要用batch，通过对比讲述了batch大小的特点；通过物理例子引出momentum，讲述了以前的梯度下降和加上动量的梯度下降。

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一、Batch

实际在做微分的时候不是对所有数据算出来的L算微分，是把所有的数据分成一个一个的batch，每次是拿一个batch里的资料计算gradient，然后更新参数，所有的batch看过一遍叫做一个epoch。把所有资料分成一个一个的batch的做法叫shuffle，在每一个epoch开始前会分一次batch，每个epoch的batch都不一样，如下图。

为什么要用batch？

假设有20笔训练资料，下图左边是没有用batch的，batch的大小为N（也叫Full batch）；右边的batch的大小为1。在左边必须把所有的资料看完才能计算loss和gradient更新参数；右边每次更新只用看一笔资料就好了，在一个epoch中更新20次。

左右两边的对比：

左边蓄力的时间比较长，要看过所有的资料，右边蓄力的时间比较短；但实际上考虑平行运算的话，左边的不一定时间长。

下面是真正的实验结果，比较大的batch先算loss再算gradient不一定比batch小的化的时间长。

MNIST 手写数字辨识，给机器一张图片判断是0-9的哪个，做数字的分类。

上图横轴时batch的大小，纵轴时花费的时间；发现batch的大小从1-1000所花费的时间几乎是一样的，1000笔资料所花的时间并不是一笔资料的1000倍；但并行计算的能力也是有限的，在大小为10000-60000时可以看到花费的时间在增加。

因为有平行计算的能力，小的batch跑完一个epoch花的时间比大的batch size还要多。

假设训练资料有60000笔，batch size为1，要更新60000次跑完一个epoch；batch size为1000，更新60次，gradient的时间差不多的话，60000次和60次时间差很大，下图左边是一个batch更新一次参数所要的时间，右边是跑完一个epoch花的时间。两个趋势正好相反，大的batch化的时间反而比较小。

noisy的gradient反而可以帮助训练，拿不同的batch训练模型，左边是作用在MNIST上，右边是作用在CIFAR-10上，横轴时batch size，纵轴代表正确率，越往上越高。可以看到batch size越大，正确率越低，可能时optimization的问题。

为什么小的batch size 在训练上会有好的结果？

假设时full batch ，在更新参数的时候是沿着loss函式更新参数，走到一个local minima或者saddle point停下来，用gradient descent没办法在更新参数；如果是small batch，每次挑一个batch出来算loss，每次更新参数用的loss函式是略有差异的，第一个batch用L1算gradient，第二个batch用L2算gradient，如果L1卡住了，L2不一定卡住，还可以继续训练，所以用noisy的batch训练比较好。
小的batch对测试数据也有帮助。

如下图，小的batch有256笔资料，大的batch是0.1x data set (60000笔),在大小batch都训练到差不多的training accuracy，但在testing accuracy上小的batch差，代表overfitting。

为什么出现上面的情况？

假设training loss是下图所示的，在training loss上可能有很多个local minima，这些local minima还是有好坏之分的，在峡谷里想右边的点那样就是好的minima，在平原上的点，像左边的点那样就是坏的minima，假设training loss和testing loss之间是有差距的，对左边的minima来说，他在training loss和testing loss上的结果不会差的太多，对右边的点来说就差很多了；部分人认为大的batch size会倾向于走到峡谷里面，小的倾向于走到盆地里面。

大小batch的比较：

在没有平行运算的情况下，小的batch有效，大的计算时间较长；在有平行运算的情况下，大小batch的运算时间差不太多；但是一个epoch需要的时间，小的batch比较长，大的则更快；小的batch更新的方向比较noisy，大的则stable，noisy的更新方向反而在optimization和testing时会占到优势。

二、momentum

momentum的概念可以想象成是在物理的世界里，假设error surface就是一个斜坡，而参数就是一个球，把球从斜坡上滚下来，就算滚到了saddle point和local minima由于惯性还是会往前走，把这种概念运用到gradient descent中。

以前的gradient

找一个初始的⊖⁰，计算gradient g⁰，更新⊖¹，向gradient 的反方向移动参数。。。

gradient descent+momentum

移动的方向是gradient加上前一步移动的方向，两者加起来的结果。

找一个初始的参数，刚开始的前一步的变化量设为0，在⊖⁰处计算g⁰，移动的方向是gradient加上前一步的方向，再计算g¹，新的更新方向是m²，移动的方向走⊖¹和m²的折中⊖²，以此类推。

可以就看出mi是所有gradient的weighted sum加权总和。

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总结

小的batch和大的batch一次更新所花的时间差不多，但在平行计算时，由于大的batch更新的次数少，反而花的时间更少。动量在更新参数的时候考虑了之前的更新方向。