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ConvNets!

神经网络是一个网络接一个网络,每个网络后面接一个非线性激活函数,比如\(s = W_3 \max(0, W_2 \max(0, W_1 x))\)就是非线性套非线性

从一个神经元开始

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单个的神经元可以认为是线性二分类器,对神经元施加的weight decay等正则化手段可以类比为“遗忘”。

非线性激活函数

TODO:如何画图?

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最常用的、应该首先尝试的是ReLU

神经网络架构

神经网络就是以神经元为节点的图。

但作为命名习惯,称一个\(N\)层神经网络时,输入层不计入。

前馈计算

就那么算。

数学原理

\[ \forall x, \mid f(x) - g(x) \mid < \epsilon \]

其中,\(f(x)\)是目标函数,\(g(x)\)是神经网络拟合出的函数,故神经网络也被称为通用函数拟合器 universal function approximators

数据预处理

减去均值

减掉均值,使数据的中点与原点重合

正则化

使向量各分量的数据尺度近似相同

权值初始化

误区:全是 0,所有神经元将产生同样的梯度,所有的参数更新都是相同的,达不到训练效果

小随机数

比较好一点,但是如果过小会出现梯度消失现象

较推荐的初始化方式

使用ReLU激活单元,初始权值设置为w = np.random.randn(n) * sqrt(2.0/n)

批正则化

\[ \hat{x}^{(k)} = \frac{x^{(k)} - \operatorname{E}[x^{(k)}]}{\sqrt{\operatorname{Var}[x^{(k)}]}} \]

正则化

L2 正则化

That is, for every weight \(w\) in the network, we add the term \(\frac{1}{2} \lambda w^2\) to the objective, where \(\lambda\) is the regularization strength.

L1 正则化

\(\lambda |w|\)

Elastic net regularization

\(\lambda_1 |w| + \lambda_2 w^2\)

最大范数约束

\(||\vec w||_2 < c\)\(c\)的数量级在\(3\)~\(4\)

Dropout

随机将一些神经元的输出置\(0\)

但这也带来了新的问题:假设 dropout 概率为\(0.5\),测试时不使用 dropout,那么要将 dropout 层的输出除以\(2\),下一层的神经元才能接收到合理的输出。这就造成了在测试时的多余计算。所以,使用 inverse dropout 解决,即在训练时就将 dropout 层的结构乘以\(1/p\),测试时原样输出。

In Practice

常用做法是使用一个全局 L2 正则化,交叉验证,每一层后都有 dropout,默认设置\(p=0.5\)

损失函数

分类

分类的损失函数有 SVM loss

\[ L_i = \sum_{j\neq y_i} \max(0, f_j - f_{y_i} + 1) \]

或者有人用平方脊损失\(\max(0, f_j - f_{y_i} + 1)^2\)

cross-entropy loss

\[ L_i = -\log\left(\frac{e^{f_{y_i}}}{ \sum_j e^{f_j} }\right) \]

或者对每一个类训练一个 logistic regression

\[ P(y = 1 \mid x; w, b) = \frac{1}{1 + e^{-(w^Tx +b)}} = \sigma (w^Tx + b) \]

加起来就成了这样:

\[ L_i = -\sum_j y_{ij} \log(\sigma(f_j)) + (1 - y_{ij}) \log(1 - \sigma(f_j)) \]

上边式子看起来复杂,其实\(f\)的导数非常简单明了:\(\frac{\partial L_i}{\partial f_j} = \sigma(f_j)-y_{ij}\)

回归

最简单的就是 L1 范式\(L_i = ||f-y_i||_1\)和 L2 范式的平方\(L_i = ||f-y_i||^2_2\)

学习与训练

计算梯度时的注意事项

使用中心差分方法

\[ \frac{d f(x)}{d x}=\frac{f(x+h)-f(x-h)}{2 h} \]

使用相对误差比较解析梯度和数值梯度

\[ \frac{\left|f_{a}^{\prime}-f_{n}^{\prime}\right|}{\max \left(\left|f_{a}^{\prime}\right|,\left|f_{n}^{\prime}\right|\right)} \]

double,注意浮点数计算

如果 loss 非常小(1e-10 以下),可以考虑将 loss 放大一点。

Kinks

Kinks 指目标函数中不可微的部分,此时的数值微分不是准确的。

少选数据点

数据点越少,kinks 越少

步长\(h\)

不要设置得太小。

在有“特性”的时候进行梯度校对

如果没有“特性”,随机性太严重。

不要让正则化的力度超过数据等的力度

注意关闭 dropout 和数据增强

只看一部分条件

现实中,一个神经网络有上百万个参数,不可能把每个参数的梯度都计算一遍。

训练前

loss 是否在正常范围内

提高正则化在 loss 中的权值应该会使 loss 提高

先 overfit 一部分数据

训练时

基本更新

\[ x_{t+1} = x_t - lr\times dx \]

动量更新

\[ v_{t+1} = mu \times v_t - lr \times dx_t \\ x_{t+1} = x_t + v_{t+1} \]

Nesterov 动量

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x_ahead = x + mu * v
# evaluate dx_ahead (the gradient at x_ahead instead of at x)
v = mu * v - learning_rate * dx_ahead
x += v
v_prev = v # back this up
v = mu * v - learning_rate * dx # velocity update stays the same
x += -mu * v_prev + (1 + mu) * v # position update changes form

Adagrad

# Assume the gradient dx and parameter vector x
cache += dx**2
x += - learning_rate * dx / (np.sqrt(cache) + eps)

RMSProp

cache = decay_rate * cache + (1 - decay_rate) * dx**2
x += - learning_rate * dx / (np.sqrt(cache) + eps)

Adam

m = beta1*m + (1-beta1)*dx
v = beta2*v + (1-beta2)*(dx**2)
x += - learning_rate * m / (np.sqrt(v) + eps)

Adam 论文中推荐的参数设置是 eps = 1e-8, beta1 = 0.9, beta2 = 0.999。学习率设置在5e-3(从头训练)到1e-5(迁移学习)

一般用 Adam,有时 Adagrad>Adam (任务不同)

超参搜索

网格搜索和随机搜索


最后更新: 2023-01-31