AI 之 Dropout与学习率衰减

文章目录 【深度学习】Dropout与学习率衰减 1 概述 2 在Keras中使用Dropout 2.1 输入中使用(噪声) 2.2 Hidden层 3 LR衰减 3.1 线性衰减 3.2 指数衰减 3.3 备注 1 概述

开篇明义,dropout是指在深度学习网络的训练过程中,对于神经网络单元,按照一定的概率将其暂时从网络中丢弃。注意是暂时,对于随机梯度下降来说,由于是随机丢弃,故而每一个mini-batch都在训练不同的网络。 之前了解的网络都是在全连接层加dropout层,防止模型过拟合。在看deepfm的模型的时候,发现在每一层都可以加入dropout层

对dropout层的深入理解

做分类的时候,Dropout 层一般加在全连接层 防止过拟合 提升模型泛化能力。而很少见到卷积层后接Drop out (原因主要是 卷积参数少,不易过拟合)

dropout可以让模型训练时,随机让网络的某些节点不工作(输出置零),也不更新权重(但会保存下来,下次训练得要用,只是本次训练不参与bp传播),其他过程不变。我们通常设定一个dropout radio=p,即每个输出节点以概率p置0(不工作,权重不更新),假设每个输出都是独立的,每个输出都服从二项伯努利分布p(1-p),则大约认为训练时,只使用了(1-p)比例的输出,相当于每次训练一个子网络。测试的时候,可以直接去掉Dropout层,将所有输出都使用起来,为此需要将尺度对齐,即比例缩小输出 r=r*(1-p)。

训练的时候需要dropout,测试的时候直接去掉。

如果测试时的时候添加了dropout层,测试的时候直接把前一层的特征结果传到下一层:

dropout层相当于组合了N个网络,测试的时候去掉dropout,相当于N个网络的组合; AI 之 Dropout与学习率衰减

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2 在Keras中使用Dropout

2.1 输入中使用(噪声)

每个批次随机随机剔除0.20倍数据。

from sklearn import datasets import numpy as np from keras.models import Sequential from keras.layers import Dropout from keras.layers import Dense from keras.optimizers import SGD from keras.wrappers.scikit_learn import KerasClassifier from sklearn.model_selection import cross_val_score from sklearn.model_selection import KFold # 导入数据 dataset = datasets.load_iris() x = dataset.data Y = dataset.target # 设定随机种子 seed = 7 np.random.seed(seed) # 构建模型函数 def create_model(init=glorot_uniform): # 构建模型 model = Sequential() model.add(Dropout(rate=0.2, input_shape=(4,)))#!!!!!!!!!!!! model.add(Dense(units=4, activation=relu, kernel_initializer=init)) model.add(Dense(units=6, activation=relu, kernel_initializer=init)) model.add(Dense(units=3, activation=softmax, kernel_initializer=init)) # 定义Dropout sgd = SGD(lr=0.01, momentum=0.8, decay=0.0, nesterov=False) # 编译模型 model.compile(loss=categorical_crossentropy, optimizer=sgd, metrics=[accuracy]) return model model = KerasClassifier(build_fn=create_model, epochs=200, batch_size=5, verbose=0) kfold = KFold(n_splits=10, shuffle=True, random_state=seed) results = cross_val_score(model, x, Y, cv=kfold) print(Accuracy: %.2f%% (%.2f) % (results.mean()*100, results.std()))
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2.2 Hidden层

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# 构建模型函数 def create_model(init=glorot_uniform): # 构建模型 model = Sequential() model.add(Dense(units=4, activation=relu, input_dim=4, kernel_initializer=init, kernel_constraint=maxnorm(3))) model.add(Dropout(rate=0.2)) model.add(Dense(units=6, activation=relu, kernel_initializer=init, kernel_constraint=maxnorm(3))) model.add(Dropout(rate=0.2)) model.add(Dense(units=3, activation=softmax, kernel_initializer=init)) # 定义Dropout sgd = SGD(lr=0.01, momentum=0.8, decay=0.0, nesterov=False) # 编译模型 model.compile(loss=categorical_crossentropy, optimizer=sgd, metrics=[accuracy]) return model 3 LR衰减

为什么要调整我们的学习率并使用学习率方案 要了解为什么学习率方案是一个有价值的方法,可用于提高模型的准确率并降低loss,考虑到几乎所有神经网络使用的标准权重更新公式:

回想一下,学习率 alpha,控制着我们梯度改变的步长(step)。更大的alpha值意味着更大的步长。如果alpha为0,则网络无法执行任何步骤(因为梯度乘以0为0).

你遇到的大多数初始学习率都是下面的集合中:

然后,在不改变学习率的条件下,网络训练固定数量的epoch。

这种方法在某些情况下可能效果很好,但是随着时间的推移降低学习率往往是有益的。在训练网络时,我们试图在损失曲面(loss landscape)中找到一些位置(location),网络可以获得合理的准确率。它不一定是全局最小值,甚至不是局部最小值,但在实践中,仅仅找到一个具有相当小的loss landscape区域就是“足够好”。

如果我们不断保持高学习率,我们可能会overshoot这些低loss的区域,因此我们将采取一系列步骤进入低loss的区域。

相反,我们可以做的是降低我们的学习率,从而允许我们的网络采取更小的步长——这种降低的学习率使我们的网络能够下降到“更优化”的loss landscape区域,否则用我们的学习率将完全错过。

因此,我们可以将学习率调整的过程视为:

在训练过程的早期以较高的学习率找到一组合理的“好的”权重。 在后续过程中调整这些权重,以使用较小的学习率找到更优的权重。

3.1 线性衰减

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from sklearn import datasets import numpy as np from keras.models import Sequential from keras.layers import Dense from keras.wrappers.scikit_learn import KerasClassifier from keras.optimizers import SGD # 导入数据 dataset = datasets.load_iris() x = dataset.data Y = dataset.target # 设定随机种子 seed = 7 np.random.seed(seed) # 构建模型函数 def create_model(init=glorot_uniform): # 构建模型 model = Sequential() model.add(Dense(units=4, activation=relu, input_dim=4, kernel_initializer=init)) model.add(Dense(units=6, activation=relu, kernel_initializer=init)) model.add(Dense(units=3, activation=softmax, kernel_initializer=init)) #模型优化 learningRate = 0.1 momentum = 0.9 decay_rate = 0.005 sgd = SGD(lr=learningRate, momentum=momentum, decay=decay_rate, nesterov=False) # 编译模型 model.compile(loss=categorical_crossentropy, optimizer=sgd, metrics=[accuracy]) return model epochs = 200 model = KerasClassifier(build_fn=create_model, epochs=epochs, batch_size=5, verbose=1) model.fit(x, Y)
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3.2 指数衰减

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from sklearn import datasets import numpy as np from keras.models import Sequential from keras.layers import Dense from keras.wrappers.scikit_learn import KerasClassifier from keras.optimizers import SGD from keras.callbacks import LearningRateScheduler from math import pow, floor # 导入数据 dataset = datasets.load_iris() x = dataset.data Y = dataset.target # 设定随机种子 seed = 7 np.random.seed(seed) # 计算学习率 def step_decay(epoch): init_lrate = 0.1 drop = 0.5 epochs_drop = 10 lrate = init_lrate * pow(drop, floor(1 + epoch) / epochs_drop) return lrate # 构建模型函数 def create_model(init=glorot_uniform): # 构建模型 model = Sequential() model.add(Dense(units=4, activation=relu, input_dim=4, kernel_initializer=init)) model.add(Dense(units=6, activation=relu, kernel_initializer=init)) model.add(Dense(units=3, activation=softmax, kernel_initializer=init)) #模型优化 learningRate = 0.1 momentum = 0.9 decay_rate = 0.0 sgd = SGD(lr=learningRate, momentum=momentum, decay=decay_rate, nesterov=False) # 编译模型 model.compile(loss=categorical_crossentropy, optimizer=sgd, metrics=[accuracy]) return model lrate = LearningRateScheduler(step_decay) epochs = 200 model = KerasClassifier(build_fn=create_model, epochs=epochs, batch_size=5, verbose=1, callbacks=[lrate]) model.fit(x, Y)
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3.3 备注

你应该设置一个大的学习率,这样在网络开始学习时回取得更快的速度,然后不断衰减。 使用一个大的动量,这样当学习率足够小的时候,能继续努力向正确的方向更新网络权重。

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