【深度学习】吴恩达课程笔记(五)——超参数调试、batch norm、Softmax 回归
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【吴恩达课程笔记专栏】
【深度学习】吴恩达课程笔记(一)——深度学习概论、神经网络基础
【深度学习】吴恩达课程笔记(二)——浅层神经网络、深层神经网络
【深度学习】吴恩达课程笔记(三)——参数VS超参数、深度学习的实践层面
【深度学习】吴恩达课程笔记(四)——优化算法
吴恩达课程笔记——超参数调试、batch norm、Softmax 回归
- 九、超参数调试
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- 1.调试处理
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- 超参数优先级
- 2.超参数数值搭配选择方法
- 3.为超参数选择合适的范围（标尺）
- 4.超参数调整实践（Pandas VS Caviar）
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- 熊猫法
- 鱼子酱法
- 十、batch norm
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- 1.归一化网络的激活函数
- 2.把batch norm拟合进神经网络
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- 使用的位置
- batch norm拟合进神经网络
- batch norm与minibatch一起使用
- [l]参数没有意义
- 3.batch norm为什么好用？
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- 问题的提出
- 总结
- 4.测试时的batch norm
- 十一、Softmax 回归
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- 1.Softmax 回归简介
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- 简介
- 计算方法
- softmax回归举例
- 2.训练一个 Softmax 分类器
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- Softmax 名称来源
- 怎样训练带有 Softmax 输出层的神经网络
- 反向传播步骤或者梯度下降法
九、超参数调试
1.调试处理
超参数优先级
红色第一，黄色第二，紫色第三，没框的基本不调
2.超参数数值搭配选择方法
超参数少的时候可以像左面一样均匀取点研究效果。
超参数多的时候可以选择随机取点研究效果。如果此时发现某点及其附近的效果比其它部分好，那么就在这附近的区域较为密集地再多取一些点。如此研究直到得出足够满意的超参数搭配。如下图：
3.为超参数选择合适的范围（标尺）
举例说明：
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神经网络某层的神经元个数：可以取50-100间均匀随机值
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神经网络层数：可以取2-4间均匀随机值
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学习率：可以取0.0001-1间不均匀随机值
α = 1 0 − 4 ∗ n p . r a n d o n . r a n d ( ) 例子中的范围为 [ − 4 , 0 ] \alpha=10^{-4*np.randon.rand()}\\ 例子中的范围为[-4,0] α=10−4∗np.randon.rand()例子中的范围为[−4,0]
标尺长上面这样。这样可以给不同的数量级分配相同的搜索资源。
- 指数平均的 ：可以取0.9-0.999间不均匀随机值。
因为指数平均计算的是1/(1- )个数的平均值，这个式子在beta接近1的时候对beta更加敏感，因此应该令beta越接近1时，给相应的beta范围分配更多的搜索权重。
如图所示，对1- 施以类似上面的学习率的计算，即可达到效果。
实际上，即使不使用这类换标尺的方法，只要有足够数据，或者能恰当的使用逐渐缩小超参数组合范围的方法，也可以较快的算出超参数的恰当值。
4.超参数调整实践（Pandas VS Caviar）
熊猫法
同时运行一个模型，观察其性能随时间变化，手动调整超参数
鱼子酱法
同时运行多个模型，不进行人工干预。全部训练完毕后选出训练结果较好的模型。
十、batch norm
1.归一化网络的激活函数
含义：将z进行归一化。即将z的分布调整到平均值为0，值分布调整到0-1之间（方差为1）。
目的：使得神经网络的参数计算更有效率
注意：在训练隐藏层的时候，有时候为了发挥sigmoid、tanh等的效果，你不希望数据的方差变为1，那么你就没必要对z归一化
z ( 1 ) , . . . , z ( m ) —— > z [ l ] ( i ) , i 为 1 到 m 的某个隐藏层 i μ = 1 m ∑ i m z ( i ) σ n o r m 2 = 1 m ∑ i m ( z i − μ ) 2 z n o r m ( i ) = z ( i ) − μ σ 2 + ϵ z^{(1)},...,z^{(m)} ——>z^{[l](i)},i为1到m的某个隐藏层i\\ \mu=\frac{1}{m}\sum_{i}^{m}z^{(i)} \\ \sigma_{norm}^{2}=\frac{1}{m}\sum_{i}^{m}(z_i-\mu)^{2} \\ z_{norm}^{(i)}=\frac{z^{(i)}-\mu}{\sqrt{\sigma^{2}+\epsilon}}\\ z(1),...,z(m)——>z[l](i),i为1到m的某个隐藏层iμ=m1i∑mz(i)σnorm2=m1i∑m(zi−μ)2znorm(i)=σ2+ϵz(i)−μ
但是有时候我们不希望z分布在0-1、平均值为0，也许分布在别的地方会更有意义。
z ˜ ( i ) = γ z n o r m ( i ) + β 如果 γ ， β 如下 : γ = σ 2 + ϵ β = μ 那么： z ˜ ( i ) = z ( i ) \~z^{(i)}=\gamma z_{norm}^{(i)}+\beta\\ 如果\gamma ，\beta如下: \\ \gamma=\sqrt{\sigma^{2}+\epsilon} \\ \beta=\mu \\ 那么：\~z^{(i)}=z^{(i)} z˜(i)=γznorm(i)+β如果γ，β如下:γ=σ2+ϵβ=μ那么：z˜(i)=z(i)
2.把batch norm拟合进神经网络
使用的位置
前向传播中：在计算出z后，使用激活函数前
每个单元负责计算两件事。第一，它先计算 ，然后应用其到激活函数中再计算 。每个圆圈代表着两步的计算过程。
batch norm拟合进神经网络
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没有应用 Batch 归一化:
把输入拟合到第一隐藏层，然后首先应用 [1] 和 [1] 计算 [1]。
接着，把 [1] 拟合到激活函数以计算 [1]。
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应用 Batch 归一化：Batch 归一化是发生在计算和之间的。
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把输入拟合到第一隐藏层，然后首先应用 [1] 和 [1] 计算 [1]。
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（第一层）将 [1] 值进行 Batch 归一化，简称 BN，此过程将由 [1] 和 [1] 两参数控制，这一操作会给你一个新的规范化的 [1] 值（̃[1] ），然后将其输入激活函数中得到 [1]，即 [1] = [1] (̃[l]）。
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（第二层）应用 [1] 值来计算 [2]，此过程是由 [2] 和 [2] 控制的。与你在第一层所做的类似，通过 [2] 和 [2] 将 [2] 进行 Batch 归一化，得到 ̃[2]，再通过激活函数计算出 [2]。
注意：这里的这些（ [1]， [2]等等）和超参数没有任何关系。
（ [1]， [2]等等）是算法的新参数 ，接下来你可以使用想用的任何一种优化算法，比如使用梯度下降法来执行它。更新参数 为 [l] = [l] - [l]。你也可以使用 Adam 或 RMSprop 或 Momentum，以更新参数 和 ，并不是只应用梯度下降法。
后者是用于 Momentum、 Adam、 RMSprop 或计算各个指数的加权平均值。
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batch norm与minibatch一起使用
第一个 mini-batch：{1}
- 应用参数[1]和[1] ，计算[1]
- Batch 归一化减去均值，除以标准差，由[1]和[1]得到̃[1]
- 再应用激活函数得到[1]
- 应用参数[2]和[2]，计算[2]
- 然后继续下去
继续第二个 mini-batch：{2}
继续第三个 mini-batch：{3}
[l]参数没有意义
在使用 Batch 归一化，其实你可以消除参数 [l]，或者设置为 0，参数变成[l] = [l][[l-1]
然后对[l]进行归一化，̃[l] = [l]z[l] +[l]，最后会用参数[l]，以便决定̃[l]的取值。
**总结：**Batch 归一化，z[l]所有的偏移最终都由归一化确定了， [l]参数没有意义，所以由控制参数[l]代替来影响转移或偏置条件。
3.batch norm为什么好用？
问题的提出
如上图，如果你的训练集是左边的那些黑猫，那么你的训练样本分布可以由左侧坐标系图代替。如果你的训练集是右边那些花猫，那么你的样本分布可由右侧坐标图代替。
假设你分别用两组训练集训练两个模型，那么由于样本分布不同，最后得到的“找猫函数”也会不同。
现在你希望有一个模型，能同时识别黑猫和不同颜色的猫，但是由上可知，如果你同时用黑猫和花猫的训练集进行训练，就容易让神经元感到“迷惑”
总结
- Batch 归一化，从神经网络后层角度而言，前层不会左右移动的那么多，因为被均值和方差所限制，使后层的学习工作变得更容易些。
- Batch 归一化有轻微正则化效果
4.测试时的batch norm
μ = 1 m ∑ i m z ( i ) σ n o r m 2 = 1 m ∑ i m ( z i − μ ) 2 z n o r m ( i ) = z ( i ) − μ σ 2 + ϵ z ˜ ( i ) = γ z n o r m ( i ) + β \mu=\frac{1}{m}\sum_{i}^{m}z^{(i)} \\ \sigma_{norm}^{2}=\frac{1}{m}\sum_{i}^{m}(z_i-\mu)^{2} \\ z_{norm}^{(i)}=\frac{z^{(i)}-\mu}{\sqrt{\sigma^{2}+\epsilon}}\\ \~z^{(i)}=\gamma z_{norm}^{(i)}+\beta\\ μ=m1i∑mz(i)σnorm2=m1i∑m(zi−μ)2znorm(i)=σ2+ϵz(i)−μz˜(i)=γznorm(i)+β
测试时，我们可能不使用minibatch，而是一个一个的过训练样本。这个时候训练集的平均数 和方差 2 怎么获得呢？
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使用指数加权平均计算
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使用流动平均来粗略估算
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使用深度学习框架自默认的方式估算
十一、Softmax 回归
1.Softmax 回归简介
简介
softmax回归是logistic回归的一般形式，它做的不只是二分分类，也可以做多分分类
区分四个种类（class），0-其他、1-猫、2-狗、3-鸡
定义C为种类数，这里C=4，可以看到输出层有四个神经元，他们分别输出结果是0、1、2、3的概率，且总和为1 ，输出结果是一个4*1的向量。
计算方法
左侧是softmax输出层激活函数计算方法：
z [ l ] = W [ l ] a [ l − 1 ] + b [ l ] S o f t m a x 激活函数 : a [ l ] = g [ l ] ( z [ l ] ) t = e z [ l ] a [ l ] = e z [ l ] ∑ j = 1 4 t i a i [ l ] = t i ∑ j = 1 4 t i z^{[l]} = W^{[l]}a^{[l-1]} + b^{[l]} \\ Softmax 激活函数: a^{[l]}=g^{[l]}(z^{[l]})\\ t=e^{z^{[l]}} \\ a^{[l]}=\frac{e^{z^{[l]}}}{\sum_{j=1}^{4}t_i} \\ a_i^{[l]}=\frac{t_i}{\sum_{j=1}^{4}t_i} \\ z[l]=W[l]a[l−1]+b[l]Softmax激活函数:a[l]=g[l](z[l])t=ez[l]a[l]=∑j=14tiez[l]ai[l]=∑j=14titi
右侧是一个例子：
softmax回归举例
2.训练一个 Softmax 分类器
Softmax 名称来源
hardmax 会把向量变成这个向量[1 0 0 0]， 与hardmax 对比，Softmax所做的从到概率的映射更为温和
怎样训练带有 Softmax 输出层的神经网络
举例：单个样本为猫，这个样本中神经网络的表现不佳，这实际上是一只猫，但却只分配到 20%是猫的概率，所以在本例中表现不佳。
用什么损失函数来训练这个神经网络?
损失函数：
L ( y ^ , y ) = − ∑ j = 1 C y j l o g y ^ j y 1 = y 3 = y 4 = 0 ， y 2 = 1 ，则 L ( y ^ , y ) = − l o g y ^ 2 L ( y ^ , y ) 越小越好，则 y ^ 2 需要尽量大 L(ŷ,y)=-\sum_{j=1}^{C}y_jlogŷ_j \\ y_1 = y_3 = y_4 = 0，y_2= 1，则L(ŷ,y)=-logŷ_2 \\ L(ŷ,y)越小越好，则ŷ_2需要尽量大 L(y^,y)=−j=1∑Cyjlogy^jy1=y3=y4=0，y2=1，则L(y^,y)=−logy^2L(y^,y)越小越好，则y^2需要尽量大
反向传播步骤或者梯度下降法
公式：
d z [ l ] = y ^ − y dz^{[l]}=ŷ-y dz[l]=y^−y
