keras的EarlyStopping使用与技巧

Early Stopping是什么

EarlyStopping是Callbacks的一种，callbacks用于指定在每个epoch开始和结束的时候进行哪种特定操作。Callbacks中有一些设置好的接口，可以直接使用，如’acc’, 'val_acc’, ’loss’ 和 ’val_loss’等等。EarlyStopping则是用于提前停止训练的callbacks。具体地，可以达到当训练集上的loss不在减小（即减小的程度小于某个阈值）的时候停止继续训练。

为什么要用Early Stopping

为了获得性能良好的神经网络，网络定型过程中需要进行许多关于所用设置（超参数）的决策。超参数之一是定型周期（epoch）的数量：亦即应当完整遍历数据集多少次（一次为一个epoch）。如果epoch数量太少，网络有可能发生欠拟合（即对于定型数据的学习不够充分）；如果epoch数量太多，则有可能发生过拟合（即网络对定型数据中的“噪声”而非信号拟合）。

早停法旨在解决epoch数量需要手动设置的问题。它也可以被视为一种能够避免网络发生过拟合的正则化方法（与L1/L2权重衰减和丢弃法类似）。

根本原因就是因为继续训练会导致测试集上的准确率下降。
那继续训练导致测试准确率下降的原因猜测可能是1. 过拟合 2. 学习率过大导致不收敛 3. 使用正则项的时候，Loss的减少可能不是因为准确率增加导致的，而是因为权重大小的降低。

原理

• 将数据分为训练集和验证集
• 每个epoch结束后（或每N个epoch后)： 在验证集上获取测试结果，随着epoch的增加，如果在验证集上发现测试误差上升，则停止训练；
• 将停止之后的权重作为网络的最终参数。

这种做法很符合直观感受，因为精度都不再提高了，在继续训练也是无益的，只会提高训练的时间。那么该做法的一个重点便是怎样才认为验证集精度不再提高了呢？并不是说验证集精度一降下来便认为不再提高了，因为可能经过这个Epoch后，精度降低了，但是随后的Epoch又让精度又上去了，所以不能根据一两次的连续降低就判断不再提高。一般的做法是，在训练的过程中，记录到目前为止最好的验证集精度，当连续10次Epoch（或者更多次）没达到最佳精度时，则可以认为精度不再提高了。

直观理解

最优模型是在垂直虚线的时间点保存下来的模型，即处理测试集时准确率最高的模型。

为什么能减小过拟合

当还未在神经网络运行太多迭代过程的时候，w参数接近于0，因为随机初始化w值的时候，它的值是较小的随机值。当你开始迭代过程，w的值会变得越来越大。到后面时，w的值已经变得十分大了。所以early stopping要做的就是在中间点停止迭代过程。我们将会得到一个中等大小的w参数，会得到与L2正则化相似的结果，选择了w参数较小的神经网络。

EarlyStopping的使用与

一般是在model.fit函数中调用callbacks，fit函数中有一个参数为callbacks。注意这里需要输入的是list类型的数据，所以通常情况只用EarlyStopping的话也要是[EarlyStopping()]

early_stop = EarlyStopping(monitor='val_MAE', patience=5, verbose=1)

 

EarlyStopping的参数:

• monitor: 监控的数据接口，有’acc’,’val_acc’,’loss’,’val_loss’等等。正常情况下如果有验证集，就用’val_acc’或者’val_loss’。但是因为笔者用的是5折交叉验证，没有单设验证集，所以只能用’acc’了。
• min_delta：增大或减小的阈值，只有大于这个部分才算作improvement。这个值的大小取决于monitor，也反映了你的容忍程度。例如笔者的monitor是’acc’，同时其变化范围在70%-90%之间，所以对于小于0.01%的变化不关心。加上观察到训练过程中存在抖动的情况（即先下降后上升），所以适当增大容忍程度，最终设为0.003%。
• patience：能够容忍多少个epoch内都没有improvement。这个设置其实是在抖动和真正的准确率下降之间做tradeoff。如果patience设的大，那么最终得到的准确率要略低于模型可以达到的最高准确率。如果patience设的小，那么模型很可能在前期抖动，还在全图搜索的阶段就停止了，准确率一般很差。patience的大小和learning rate直接相关。在learning rate设定的情况下，前期先训练几次观察抖动的epoch number，比其稍大些设置patience。在learning rate变化的情况下，建议要略小于最大的抖动epoch number。笔者在引入EarlyStopping之前就已经得到可以接受的结果了，EarlyStopping算是锦上添花，所以patience设的比较高，设为抖动epoch number的最大值。
• mode: 就’auto’, ‘min’, ‘,max’三个可能。如果知道是要上升还是下降，建议设置一下。笔者的monitor是’acc’，所以mode=’max’。

min_delta和patience都和“避免模型停止在抖动过程中”有关系，所以调节的时候需要互相协调。通常情况下，min_delta降低，那么patience可以适当减少；min_delta增加，那么patience需要适当延长；反之亦然。

 

 

扩充

如果不用early stopping降低过拟合，另一种方法就是L2正则化，但需尝试L2正则化超级参数λ的很多值，个人更倾向于使用L2正则化，尝试许多不同的λ值。