神经网络学习率指数衰减ExponentialDecay策略的参数含义与使用方法详解

  本文介绍在tensorflow库中,用于动态调整神经网络的学习率的一种方法——指数衰减ExponentialDecay()策略的参数含义及其具体用法。

  在进行神经网络训练时,我们经常需要用到动态变化的学习率,其中指数衰减ExponentialDecay()策略是我们常用的一种策略。在tensorflow库中,其完整的用法是tf.keras.optimizers.schedules.ExponentialDecay(),其中的具体参数如下所示。

tf.keras.optimizers.schedules.ExponentialDecay(
    initial_learning_rate, decay_steps, decay_rate, staircase=False, name=None
)

  首先,我们需要知道,在用了ExponentialDecay()策略后,程序将动态调整神经网络训练过程中的学习率,且这一调整是与我们当前训练的step有关的。具体关于step的解释,大家可以参考文章神经网络epoch、batch、batch size、step与iteration的具体含义介绍(https://blog.csdn.net/zhebushibiaoshifu/article/details/131086145),本文就不再赘述。

  如以下代码所示,使用ExponentialDecay()策略后,程序将依据如下的规律,基于当前训练的step,以及我们自行设定的几个参数,从而计算得到当前的学习率。其中,函数的返回值就是当前的学习率。

def decayed_learning_rate(step):
  return initial_learning_rate * decay_rate ^ (step / decay_steps)

  其中,initial_learning_rate * decay_rate ^ (step / decay_steps)就是当前学习率的计算公式。这里的initial_learning_ratedecay_rate以及decay_steps,就是我们前面提到的ExponentialDecay()函数的前3个参数。其中,initial_learning_rate是我们的初始学习率,decay_rate是学习率下降的速率,而decay_steps则是学习率下降的位置(具体含义我们稍后介绍)。此外,ExponentialDecay()策略还有两个参数,staircase表示我们在计算(step / decay_steps)时,是对结果向下取整还是取小数,默认为False,即取小数结果(具体含义我们稍后介绍);最后一个name参数,只是对当前这一学习率下降的策略加以命名,一般用不上这个参数,我们就不再介绍了。

  由此,我们可以初步知道,ExponentialDecay()函数的前4个参数都是用来计算当前的学习率的;且结合我们前面的公式initial_learning_rate * decay_rate ^ (step / decay_steps),我们可以知道,随着当前的step不断增加,decay_rate ^ (step / decay_steps)是降低的。

  接下来,我们直接带入具体的数据,来看一下这几个参数的具体作用。

  如下图所示,我们这里有一个训练数据集,其中共有193608个样本。

神经网络学习率指数衰减ExponentialDecay策略的参数含义与使用方法详解_第1张图片

  同时,我设置了神经网络的batch size2048,那么基于前述提及的文章神经网络epoch、batch、batch size、step与iteration的具体含义介绍(https://blog.csdn.net/zhebushibiaoshifu/article/details/131086145),可知在1epoch中,我们对这193608个样本加以训练,共需要的batch数目为193608 / 2048,也就是94.54,向上取整为95,相当于需要95step。此外,我设置initial_learning_ratedecay_rate以及decay_steps分别为0.10.95以及95,且设置staircaseTrue。如下图所示。

神经网络学习率指数衰减ExponentialDecay策略的参数含义与使用方法详解_第2张图片

  此时,我们就可以对每一个参数的具体含义与作用加以介绍了。首先,我们开始训练神经网络模型,即step开始从0逐步增加;但是由于我的staircaseTrue,因此只要指数(step / decay_steps)是小于1的,那么都视作0(因为当前参数设置是对结果向下取整);而由于除了0以外任何数的0次方都是1,因此此时的公式initial_learning_rate * decay_rate ^ (step / decay_steps)始终等于initial_learning_rate,也就是一直保持0.1;只有当step到达我们设置的decay_steps之后,指数(step / decay_steps)才可以成为1,使得decay_rate终于产生了效果。而在这里,由于我故意设置decay_steps95,因此按道理只要经过1epoch之后,学习率就会下降——因为前面我们计算过了,在1epoch中需要95step。那么此时,学习率就变为了0.1 * 0.95

  接下来,我们运行上述代码,训练6epoch,来验证一下学习率的变化是否如同我们的设想。

  下图为TensorBoard中,学习率随着epoch的变化。这里需要注意,我这里截图的时候开了曲线图的平滑选项,因此应该以浅色的线为准。

神经网络学习率指数衰减ExponentialDecay策略的参数含义与使用方法详解_第3张图片

  上面的图因为不太全,所以或许看不出什么;我们直接将学习率变化情况导出,如下图所示。

神经网络学习率指数衰减ExponentialDecay策略的参数含义与使用方法详解_第4张图片

  其中,图中的step实际上表示的是epoch,大家这里理解即可。可以看到,在epoch0时(也就是进行第一个epoch时),学习率一直为0.1;而进行到第二个epoch时——此时我们训练过程的step就应该是从95开始,但还不到190,因此(step / decay_steps)始终为1,学习率就是0.1 * 0.95 = 0.095了(因为数据格式问题,精度稍有差距);随后,进行到第三个epoch时——此时我们训练过程的step就应该是从190开始,但还不到285,因此(step / decay_steps)始终为2,学习率就已经是0.1 * 0.95 * 0.95 = 0.09025了。

  由此可知,假如我将decay_steps扩大10倍,使得其为950,那么在前10epoch时,学习率都不会发生改变,而从第11epoch开始,学习率才会开始衰减。

  这里我的参数staircase设置为True,因此会出现上述结果;相反的,如果设置为False,那么计算(step / decay_steps)时,是对结果取小数,换句话说只要step发生变化,那么当前对应的学习率也会发生变化,只不过变化的幅度会稍小一些。

  由此看到,上述学习率的变化,是符合我们的预期的。当然,上图中最后两个epoch对应的学习率没有发生变化,这个具体原因我暂时也没搞清楚;不过学习率下降作为一种策略,我们通过上述代码,还是达到了动态调整学习率的需求的。

  至此,大功告成。

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