上一篇文章介绍了四种寻找最优参数的方法,这次做一个补充,对其中两种方法(Momentum和AdaGrad)做一些改进,让参数的更新收敛更快速
Nesterov
是对Momentum动量SGD的一个改进,在后面也会对两种方法以及改进的方法进行画图,进行比较。
数学式:
α=类似摩擦力,v是物理学上的速度,η是学习率,是损失函数关于权重的梯度(导数)
class Nesterov:
def __init__(self,lr=0.01,momentum=0.9):
self.lr=lr
self.momentum=momentum
self.v=None
def update(self,params,grads):
if self.v is None:
self.v={}
for k,v in params.items():
self.v[k]=np.zeros_like(v)
for k in params.keys():
self.v[k]=self.v[k]*self.momentum
self.v[k]-=self.lr*grads[k]
params[k]+=self.momentum*self.momentum*self.v[k]
params[k]-=(1+self.momentum)*self.lr*grads[k]
RMSprop【Root Mean Square prop】
AdaGrad方法会记录过去所有梯度的平方和,因此,学习越深入,更新的幅度就越小。如果无止境地学习,更新量就会变为0,完全不再更新了。为了改善这个问题,使用RMSprop方法,这个方法并不是将过去所有的梯度一视同仁地相加,而是逐渐地遗忘过去的梯度,在做加法运算时,将新的梯度信息更多地反映出来。这样的操作叫做“指数移动平均”,呈指数函数式地减小过去的梯度的尺度
数学式:
其中参数β是衰减指数
class RMSprop:
def __init__(self,lr=0.01,decay_rate=0.99):
self.lr=lr
self.decay_rate=decay_rate
self.h=None
def update(self,params,grads):
if self.h is None:
self.h={}
for k,v in params.items():
self.h[k]=np.zeros_like(v)
for k in params.keys():
self.h[k]=self.h[k]*self.decay_rate
self.h[k]+=(1-self.decay_rate)*grads[k]*grads[k]
params[k]-=self.lr*grads[k]/(np.sqrt(self.h[k])+1e-7)
进行画图对比:
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from collections import OrderedDict
from common.optimizer import *
def f(x,y):
return 1/20*x**2 + y**2
def df(x,y):
'''f函数的偏导数'''
return 1/10*x,2*y
params={}
#params['x'],params['y']=-7,2#从(-7,2)的位置开始搜索
grads={}
grads['x'],grads['y']=0,0
#使用有序字典保存四种方法,分别遍历进行画图
mySGDDict=OrderedDict()
mySGDDict['Momentum']=Momentum(lr=0.1)
mySGDDict['Nesterov']=Nesterov(lr=0.1,momentum=0.9)
mySGDDict['AdaGrad']=AdaGrad(lr=1.5)
mySGDDict['RMSprop']=RMSprop(lr=0.1,decay_rate=0.99)
idx=1
for k in mySGDDict:
mySGD=mySGDDict[k]
x_temp=[]
y_temp=[]
params['x'],params['y']=-7,2#分别从(-7,2)的位置开始搜索
for i in range(30):
x_temp.append(params['x'])
y_temp.append(params['y'])
grads['x'],grads['y']=df(params['x'],params['y'])
mySGD.update(params,grads)
#画函数f的等高线
x=np.arange(-10,10,0.01)
y=np.arange(-5,5,0.01)
X,Y=np.meshgrid(x,y)
Z=f(X,Y)
plt.subplot(2,2,idx)#画子图
idx+=1
plt.plot(x_temp,y_temp,'o-',color='red')
plt.contour(X,Y,Z)
plt.plot(0,0,'+')
plt.title(k)
plt.show()