聊聊神經網路的優化演演算法

優化演演算法主要用於調整神經網路中的超引數，使得訓練資料集上的損失函數儘可能小。其核心邏輯是通過計算損失函數對引數的梯度（導數）來確定引數更新方向。

SGD

Stochastic Gradient Descent(隨機梯度下降法)：隨機梯度下降演演算法是一種改進的梯度下降方法，它在每次更新引數時，只隨機選擇一個樣本來計算梯度。這樣可以大大減少計算量，提高訓練速度。隨機梯度下降演演算法在訓練大規模資料集時非常有效。

其Python實現是

class SGD:
    """隨機梯度下降法（Stochastic Gradient Descent）"""
    def __init__(self, lr=0.01):
        self.lr = lr
    # 更新超引數
    def update(self, params, grads):
        for key in params.keys():
            params[key] -= self.lr * grads[key]

引數lr表示學習率，引數params和grads是字典變數，儲存了權重引數(prams['W1'])與梯度(grads['W1'])，update方法執行的是超引數的梯度更新。
使用這個SGD類，可以按如下虛擬碼進行神經網路的引數更新:

network = nn.layernet()
optimizer = SGD()

for i in range(10000):
    x_batch, t_batch = get_batch(..)
    # 獲取引數的梯度資訊
    grads = network.gradient(x_batch, t_batch)
    # 獲取引數
    params = network.params
    optimizer.update(params,grads)

Momentum

Momentum是"動量"的意思，是物理學的概念。其數學表示式如下:

這裡新出現的引數，對應物理上的速度。類似小球在斜面上的捲動。

可以使物體逐漸減速，對應物理上的地面磨擦與空氣阻力。其Python實現如下

class Momentum:

    """Momentum SGD"""

    def __init__(self, lr=0.01, momentum=0.9):
        self.lr = lr
        self.momentum = momentum
        self.v = None
    # 更新超引數
    def update(self, params, grads):
        if self.v is None:
            self.v = {}
            for key, val in params.items():                                
                self.v[key] = np.zeros_like(val)
                
        for key in params.keys():
            self.v[key] = self.momentum*self.v[key] - self.lr*grads[key] 
            params[key] += self.v[key]

AdaGrad

在神經網路中，學習率的值很重要。學習率過小會導致學習花費過多的時間；反之，學習率過大會導致學習發散，不能正確進行。
AdaGrad會為引數的每個元素適當的(Adaptive)調整學習率，與此同時進行學習。其數學表示式如下：

引數儲存了以前的所有引數的梯度值的平方和（表示對應矩陣元素的乘法）。更新引數時，通過乘以，調整學習的尺度。即按引數的元素進行學習率衰減，使得變動大的引數的學習率逐漸減小。
其python實現如下：

class AdaGrad:

    """AdaGrad"""

    def __init__(self, lr=0.01):
        self.lr = lr
        self.h = None
        
    def update(self, params, grads):
        if self.h is None:
            self.h = {}
            for key, val in params.items():
                self.h[key] = np.zeros_like(val)
            
        for key in params.keys():
            self.h[key] += grads[key] * grads[key]
            params[key] -= self.lr * grads[key] / (np.sqrt(self.h[key]) + 1e-7)

Adam

Momentum參照小球在碗中捲動的物理規則進行移動，AdaGrad為引數的每個元素適當的調整更新步伐。將兩者融合就是Adam方法的基本思路。
Adam演演算法的公式如下，流程比較複雜，簡單的理解就是其基本思路。

初始化：設 ( t = 0 )，初始化模型引數，學習率，以及超引數。為每個引數初始化一階矩估計和二階矩估計。
在第 ( t ) 步，計算目標函數對引數的梯度。
更新一階矩估計：。
更新二階矩估計：。
校正一階矩估計和二階矩估計中的偏差：。
計算自適應學習率：。
使用自適應學習率更新模型引數：。
( t = t + 1 )，重複步驟 2-7 直到收斂。
通過上述公式，Adam演演算法能夠自適應地調整每個引數的學習率，從而在訓練過程中加速收斂。

其Python實現：

class Adam:

    """Adam (http://arxiv.org/abs/1412.6980v8)"""

    def __init__(self, lr=0.001, beta1=0.9, beta2=0.999):
        self.lr = lr
        self.beta1 = beta1
        self.beta2 = beta2
        self.iter = 0
        self.m = None
        self.v = None
        
    def update(self, params, grads):
        if self.m is None:
            self.m, self.v = {}, {}
            for key, val in params.items():
                self.m[key] = np.zeros_like(val)
                self.v[key] = np.zeros_like(val)
        
        self.iter += 1
        lr_t  = self.lr * np.sqrt(1.0 - self.beta2**self.iter) / (1.0 - self.beta1**self.iter)         
        
        for key in params.keys():
            self.m[key] += (1 - self.beta1) * (grads[key] - self.m[key])
            self.v[key] += (1 - self.beta2) * (grads[key]**2 - self.v[key])
            params[key] -= lr_t * self.m[key] / (np.sqrt(self.v[key]) + 1e-7)