优化理论及应用精解【25】

文章目录

优化
- 学习率调度
- - 1. 阶梯衰减（Step Decay）
  - 2. 余弦退火（Cosine Annealing）
  - 3. 多项式衰减（Polynomial Decay）
  - 4. 指数衰减（Exponential Decay）
  - 总结
- 梯度弥散效应
参考文献

优化

学习率调度

是深度学习中一个重要的技术，它根据训练的进程动态调整学习率，以提高模型训练的效果和稳定性。下面将分别详细介绍几种常见的学习率调度策略的定义、数学原理、公式、计算、例子和例题。

1. 阶梯衰减（Step Decay）

定义：
阶梯衰减是一种常见的学习率调度策略，它每隔一定数量的周期（epoch）或迭代步骤就将学习率乘以一个较小的因子（衰减率），从而降低学习率。

数学原理：
阶梯衰减基于这样的假设：在训练的早期阶段，较大的学习率有助于模型快速收敛；而在训练的后期阶段，较小的学习率有助于模型在最优解附近进行更精细的调整。

公式：
$decayed_learning_rate = learning_rate × decay_rate ( global_step decay_steps ) \text{decayed\_learning\_rate} = \text{learning\_rate} \times \text{decay\_rate}^{\left(\frac{\text{global\_step}}{\text{decay\_steps}}\right)}$
其中，learning_rate是初始学习率，decay_rate是衰减率，global_step是当前迭代轮数，decay_steps是衰减步长（即每隔多少个周期或迭代步骤衰减一次）。

计算：
假设初始学习率为0.1，衰减率为0.5，衰减步长为10，则在第10轮、第20轮、第30轮等时，学习率将分别衰减为0.05、0.025、0.0125等。

例子：
在PyTorch中，可以使用torch.optim.lr_scheduler.StepLR来实现阶梯衰减。

例题：
假设初始学习率为0.1，衰减率为0.5，衰减步长为10，请计算并列出前30轮的学习率。

2. 余弦退火（Cosine Annealing）

定义：
余弦退火是一种学习率调度策略，它使学习率按照余弦函数的周期变化来衰减。这种方法在训练的早期阶段允许较大的学习率波动，有助于模型跳出局部最优解；而在训练的后期阶段，学习率逐渐减小，有助于模型收敛。

数学原理：
余弦退火基于余弦函数的周期性和对称性，模拟了自然界中的退火过程。在训练的早期阶段，较大的学习率波动有助于模型探索参数空间；而在训练的后期阶段，较小的学习率有助于模型在最优解附近进行精细调整。

公式：
$lr_min + 1 2 ( lr_max − lr_min ) ( 1 + cos ⁡ ( T cur T max π ) ) \text{lr} = \text{lr\_min} + \frac{1}{2} (\text{lr\_max} - \text{lr\_min}) \left(1 + \cos\left(\frac{T_{\text{cur}}}{T_{\text{max}}} \pi\right)\right)$
其中，lr是当前学习率，lr_min是最小学习率，lr_max是最大学习率（通常是初始学习率），T_cur是当前周期（epoch）数，T_max是最大周期数。

计算：
假设初始学习率为0.1，最小学习率为0.001，最大周期数为50，则可以使用上述公式计算每个周期的学习率。

例子：
在PyTorch中，可以使用torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR来实现余弦退火。

例题：
假设初始学习率为0.1，最小学习率为0.001，最大周期数为50，请计算并列出前10个周期的学习率。

3. 多项式衰减（Polynomial Decay）

定义：
多项式衰减是一种学习率调度策略，它使学习率按照多项式函数的形状逐渐减小。这种方法在训练的早期阶段允许较大的学习率，随着训练的进行逐渐减小学习率。

数学原理：
多项式衰减基于多项式函数的性质，通过调整多项式的幂来控制学习率衰减的速度。较大的幂值会导致学习率快速衰减，而较小的幂值则会导致学习率缓慢衰减。

公式：
$initial_lr × ( 1 − epoch max_epochs ) power \text{lr} = \text{initial\_lr} \times \left(1 - \frac{\text{epoch}}{\text{max\_epochs}}\right)^{\text{power}}$
其中，initial_lr是初始学习率，epoch是当前迭代轮数，max_epochs是最大迭代轮数，power是多项式的幂。

计算：
假设初始学习率为0.1，最大迭代轮数为50，多项式的幂为2，则可以使用上述公式计算每个周期的学习率。

例子：
在PyTorch中，可以使用torch.optim.lr_scheduler.LambdaLR配合自定义的lambda函数来实现多项式衰减。

例题：
假设初始学习率为0.1，最大迭代轮数为50，多项式的幂为2，请计算并列出前10个周期的学习率。

4. 指数衰减（Exponential Decay）

定义：
指数衰减是一种学习率调度策略，它使学习率按照指数函数的形状逐渐减小。这种方法在训练的早期阶段允许较大的学习率，随着训练的进行学习率迅速衰减。

数学原理：
指数衰减基于指数函数的性质，通过调整衰减率来控制学习率衰减的速度。较大的衰减率会导致学习率快速衰减，而较小的衰减率则会导致学习率缓慢衰减。

公式：
$initial_lr × decay_rate epoch \text{lr} = \text{initial\_lr} \times \text{decay\_rate}^{\text{epoch}}$
其中，initial_lr是初始学习率，epoch是当前迭代轮数，decay_rate是衰减率。

计算：
假设初始学习率为0.1，衰减率为0.95，则可以使用上述公式计算每个周期的学习率。

例子：
在PyTorch中，可以使用torch.optim.lr_scheduler.ExponentialLR来实现指数衰减。

例题：
假设初始学习率为0.1，衰减率为0.95，请计算并列出前10个周期的学习率。

总结

以上介绍了四种常见的学习率调度策略：阶梯衰减、余弦退火、多项式衰减和指数衰减。每种策略都有其独特的数学原理、公式和应用场景。在实际应用中，可以根据模型的特点和训练的需求选择合适的学习率调度策略。

梯度弥散效应

也被称为梯度消失，是深度学习中一个常见的问题。它主要发生在反向传播过程中，当梯度在通过网络层传播时逐渐减小，最终导致梯度接近于零。这种现象会导致靠近输入层的隐藏层梯度非常小，参数更新变得非常缓慢，几乎就和初始状态一样随机分布。由于神经网络前几层的权重更新过慢或者没有更新，整个网络的学习性能会下降，无法达到训练的标准。

梯度弥散效应的原因主要有以下几点：

激活函数的“饱和”：在反向传播的过程中，需要计算激活函数的导数。当激活函数的输入值落入其饱和区时，其导数会变得非常小。例如，sigmoid函数在输入值非常大或非常小时，其导数会趋近于零，这会导致梯度弥散。
网络层数过深：在深度网络中，梯度需要通过多层网络进行反向传播。由于每层网络都会乘以一个小于1的梯度值（在梯度弥散的情况下），多层相乘后梯度值会急剧减小，导致梯度弥散问题更加严重。

梯度弥散效应的数学原理可以通过链式法则来解释。在反向传播过程中，梯度是通过链式法则逐层传递的。如果每一层的梯度都小于1，那么多层相乘后梯度值会迅速减小到接近于零。这种现象在数学上表现为梯度连乘的结果趋于零。

为了解决梯度弥散效应，研究者们提出了多种方法，包括但不限于：