【深度学习】深度学习基础

李宏毅深度学习笔记

局部极小值与鞍点

鞍点其实就是梯度是零且区别于局部极小值和局部极大值的点。
鞍点的叫法是因为其形状像马鞍。鞍点的梯度为零，但它不是局部极小值。我们把梯度为零的点统称为临界点（critical point）。损失没有办法再下降，也许是因为收敛在了临界点，但不一定收敛在局部极小值，因为鞍点也是梯度为零的点。

判断临界值种类的方法
走到临界点的时候，这个临界点到底是局部极小值还是鞍点，是一个值得去探讨的问题。因为如果损失收敛在局部极小值，我们所在的位置已经是损失最低的点了，往四周走损失都会比较高，就没有路可以走了。但鞍点没有这个问题，旁边还是有路可以让损失更低的。只要逃离鞍点，就有可能让损失更低。

主要是通过计算海森矩阵来判断是哪种临界点（太复杂了看不懂）

但实际上，我们几乎不会真的把海森矩阵算出来，因为海森矩阵需要算二次微分，计算这个矩阵的运算量非常大，还要把它的特征值跟特征向量找出来，所以几乎没有人用这个方法来逃离鞍点。还有一些其他逃离鞍点的方法的运算量都比要算海森矩阵小很多。

从经验上看起来，局部极小值并没有那么常见。多数的时候，我们训练到一个梯度很小的地方，参数不再更新，往往只是遇到了鞍点。

批量（批量梯度下降法和随机梯度下降法）

实际上在计算梯度的时候，并不是对所有数据的损失 L 计算梯度，而是把所有的数据分成一个一个的批量（batch），每个批量的大小是 B ，即带有 B 笔数据。每次在更新参数的时候，会去取出 B 笔数据用来计算出损失和梯度更新参数。遍历所有批量的过程称为一个回合（epoch）。

在把数据分为批量的时候，我们还会进行随机打乱。随机打乱有很多不同的做法，一个常见的做法是在每一个回合开始之前重新划分批量，也就是说，每个回合的批量的数据都不一样。

不同批量大小之间对比

• 批量大小为训练数据的大小，这种使用全批量（full batch）的数据来更新参数的方法即批量梯度下降法（Batch Gradient Descent，BGD）。此时模型必须把 20 笔训练数据都看完，才能够计算损失和梯度，参数才能够更新一次。
• 批量大小等于 1，此时使用的方法即随机梯度下降法（Stochastic Gradient Descent，SGD），也称为增量梯度下降法。批量大小等于 1 意味着只要取出一笔数据即可计算损失、更新一次参数。如果总共有 20 笔数据，那么在每一个回合里面，参数会更新 20 次。用一笔数据算出来的损失相对带有更多噪声，因此其更新的方向是曲曲折折的 。

批量梯度下降并没有“划分批量”：要把所有的数据都看过一遍，才能够更新一次
参数，因此其每次迭代的计算量大。但相比随机梯度下降，批量梯度下降每次更新更稳定、更准确。
随机梯度下降的梯度上引入了随机噪声，因此在非凸优化问题中，其相比批量梯度下降更容易逃离局部最小值。

考虑并行运算，批量梯度下降花费的时间不一定更长；对于比较大的批量，计算
损失和梯度花费的时间不一定比使用小批量的计算时间长 。批量大小从 1 到 1000，需要耗费的时间几乎是一样的，因为在实际上 GPU 可以做并行运算，这 1000 笔数据是并行处理的，所以 1000笔数据所花的时间并不是一笔数据的 1000 倍。当然 GPU 并行计算的能力还是存在极限的，当批量大小很大的时候，时间还是会增加的。
因为有并行计算的能力，因此实际上当批量大小小的时候，要“跑”完一个回合，花的时间是比较大的
大的批量更新比较稳定，小的批量的梯度的方向是比较有噪声的。但实际上有噪声的的梯度反而可以帮助训练

批量梯度下降在更新参数的时候，沿着一个损失函数来更新参数，走到一个局部最小值或鞍点显然就停下来了。梯度是零，如果不看海森矩阵，梯度降就无法再更新参数了 。但小批量梯度下降法（mini-batch gradient descent）每次是挑一
个批量计算损失，所以每一次更新参数的时候所使用的损失函数是有差异的。选到第一个批量的时候，用 L1 计算梯度；选到第二个批量的时候，用 L2 计算梯度。假设用 L1 算梯度的时候，梯度是零，就会卡住。但 L2 的函数跟 L1 又不一样，L2 不一定会卡住，可以换下个批量的损失 L2 计算梯度，模型还是可以训练，还是有办法让损失变小，所以这种有噪声的更新方式反而对训练其实是有帮助的。

总结：
在有并行计算的情况下，小的批量跟大的批量运算的时间并没有太大的差距。除非大的批量非常大，才会显示出差距。但是一个回合需要的时间，小的批量比较长，大的批量反而是比较快的，所以从一个回合需要的时间来看，大的批量是较有优势的。 而小的批量更新的方向比较有噪声的，大的批量更新的方向比较稳定。但是有噪声的更新方向反而在优化的时候有优势，而且在测试的时候也会有优势。所以大的批量跟小的批量各有优缺点，批量大小是需要去调整的超参数。

动量

动量法（momentum method）是另外一个可以对抗鞍点或局部最小值的方法

引入动量后，每次在移动参数的时候，不是只往梯度的反方向来移动参数，而是根据梯度的反方向加上前一步移动的方向决定移动方向。

η 是学习率，λ 是前一个方向的权重参数，也是需要调的

自适应学习率

要走到一个临界点其实是比较困难的，多数时候训练在还没有走到临界点的时候就已经停止了。

情景：梯度并没有真的变得很小，但是损失不再下降了，如下图的情况

学习率决定了更新参数的时候的步伐，学习率设太大，步伐太大就无法慢慢地滑到山谷里面，可以试着把学习率设小一点。

在梯度下降里面，所有的参数都是设同样的学习率，这显然是不够的，应该要为每一个参数定制化学习率，即引入自适应学习率（adaptive learning rate）的方法，给每一个参数不同的学习率。如果在某一个方向上，梯度的值很小，非常平坦，我们会希望学习率调大一点；如果在某一个方向上非常陡峭，坡度很大，我们会希望学习率可以设得小一点。

AdaGrad（Adaptive Gradient）是典型的自适应学习率方法，其能够根据梯度大小自动调整学习率。AdaGrad 可以做到梯度比较大的时候，学习率就减小，梯度比较小的时候，学习率就放大

RMSprop（Root Mean Squared propagation），同一个参数的同个方向，学习率也是需要动态调整的

Adam （Adaptive moment estimation），是最常用的优化的策略或者优化器（optimizer）。Adam 可以看作 RMSprop 加上动量，其使用动量作为参数更新方向，并且能够自适应调整学习率。PyTorch 里面已经写好了 Adam 优化器，这个优化器里面有一些超参数需要人为决定，但是往往用 PyTorch 预设的参数就足够好了

学习率调度

加上自适应学习率以后，使用AdaGrad 方法优化的结果如图所示。一开始优化的时候很顺利，在左转的时候，有 AdaGrad 以后，可以再继续走下去，走到非常接近终点的位置。走到 BC 段时，因为横轴方向的梯度很小，所以学习率会自动变大，步伐就可以变大，从而不断前进。接下来的问题走到图 中红圈的地方，快走到终点的时候突然“爆炸”了

通过学习率调度（learning rate scheduling）可以解决这个问题。之前的学习率调整方法中 η 是一个固定的值，而在学习率调度中 η 跟时间有关。
学习率调度中最常见的策略是学习率衰减（learning rate decay），也称为学习率退火（learning rate annealing）。随着参数的不断更新，让 η 越来越小。

预热，是让学习率先变大后变小，至于变到多大、变大的速度、变小的速度是超参数。残差网络里面是有预热的，在残差网络里面，学习率先设置成 0.01，再设置成 0.1，并且其论文还特别说明，一开始用 0.1 反而训练不好。除了残差网络，BERT 和 Transformer 的训练也都使用了预热。

分类问题

引入独热向量来表示类

如果有三个类，标签 y 就是一个三维的向量，比如类 1 是 [1, 0, 0]^T，类 2 是 [0, 1, 0]^T，类3 是 [0, 0, 1]^T。如果每个类都用一个独热向量来表示，就没有类 1 跟类 2 比较接近，类 1 跟类 3 比较远的问题。如果用独热向量计算距离的话，类两两之间的距离都是一样的

带有 softmax 的分类
y 是独热向量，所以其里面的值只有 0 跟 1，但是 ˆy 里面有任何值。既然目标只有 0 跟 1，但 ˆy 有任何值，可以先把它归一化到 0 到 1 之间，这样才能跟标签的计算相似度。

一般有两个类的时候，我们不套 softmax，而是直接取 sigmoid。当只有两个类的时候，sigmoid 和 softmax 是等价的。

分类问题损失函数
常用交叉熵，相较于均方误差，交叉熵是被更常用在分类上

做分类时，选均方误差的时候，如果没有好的优化器，有非常大的可能性会训练不起来。改变损失函数可以改变优化的难度。

批量归一化

https://blog.csdn.net/grizzly_whisper/article/details/134250154

批量归一化（Batch Normalization，通常简称为BatchNorm或BN）是一种用于深度神经网络的正则化技术，旨在加速训练并提高模型的稳定性和性能。它的主要思想是对每个批量的输入进行归一化，以使神经网络的每一层保持稳定的统计分布。

批量归一化的主要步骤包括：
1、对每个批量输入进行均值和方差的计算：对于每个批量中的数据，计算其均值和方差，通常是在每个通道上进行的。
2、对输入数据进行标准化：将输入数据减去均值，并除以标准差，以使数据的分布接近标准正态分布。
3、缩放和平移：对标准化后的数据进行线性变换，将其缩放（乘以一个尺度参数）并平移（加上一个偏移参数），以允许模型学习适当的平移和缩放。
4、反向传播：在训练过程中，通过反向传播来更新批量归一化层的参数，以便网络适应数据的分布。

批量归一化的主要优点包括：
1、提高训练速度：通过标准化输入数据，批量归一化有助于加速训练，因为它减少了梯度下降的收敛时间，允许使用更大的学习率。
2、增强模型稳定性：批量归一化可以减少训练过程中的内部协变量偏移，从而提高模型的稳定性和鲁棒性。
3、减少过拟合：批量归一化作为正则化技术之一，可以减少模型的过拟合风险，因为它降低了网络对训练数据中微小变化的敏感性。
4、可以使模型更深：批量归一化使得更深的神经网络更容易训练，因为它减少了梯度消失和梯度爆炸问题。