神经网络中的优化方法

1. Mini-batch decent方法

1.1. Batch vs. mini-batch

Batch：利用矢量化编程的方法，对整个训练集运用梯度下降法。梯度每下降一小步，都要处理整个训练集。这样的效率比较慢。
Mini-batch：将训练集拆分为更小的训练集，成为小批量训练集（mini-batch)
Mini-batch t: $X^{\{t\}},Y^{\{t\}}$
对每个mini-batch都进行一次完整的前向和反向传播过程，当对所有的mini-batch都进行了前向和反向过程后，我们称完成了对训练集的一次遍历（epoch）。
Batch gradient descent，原则上cost应该是单调下降（除非learning rate太大了）；Mini-batch gradient descent，整体趋势下降，但是局部是振荡的。

1.2. Choosing mini-batch size

• 如果mini-batch size=m： 等价于batch gradient descent，一般可以收敛到全局最小值点；
• 如果mini-batch size=1：等价于stochastic gradient descent，不一定收敛到全局最小值点，一般会在该点处振荡。
  如果训练集较小（<2000），就使用batch gradient descent；否则，可以选择64到512之间（2的幂数）的mini-batch size。确保可以放入CPU/GPU的内存中

2. 指数加权平均方法（exponentially weighted averages）

图2.1 指数加权平均例子-寻找温度趋势

$$\begin{align*} v_0&=0\\ v_1&=0.9v_0+0.1\theta_1\\ v_2&=0.9v_1+0.1\theta_2\\ v_3&=0.9v_2+0.1\theta_3\\ \vdots\\ \tag{2-1} \end{align*}$$

第t天的指数平均值的通项公式：

$$\begin{align*} v_t&=\beta v_{t-1}+(1-\beta)\theta_t \\ &=(1-\beta)\left(\theta_t+\beta\theta_{t-1}+\cdots+\beta^{k}\theta_{t-k}+\cdots+\beta^{t-1}\theta_{1}\right) \\ \tag{2-2} \end{align*}$$

近似公式：

$$v_t\approx \frac{1}{1-\beta}\ days'\ temperature\tag{2-3}$$

如图2.2所示，当$\beta$增大时，曲线向右平移（绿线）；$\beta$减小时，曲线振荡加剧（黄线），

图2.2 β大小对曲线形状的影响

2.1. Bias Correction（偏差修正）

原因：$v_0=0$导致初始阶段的点估计不准
解决方法：用$\frac{v_t}{1-\beta^t}$代替$v_t$

3. Gradient descent with momentum（动量梯度下降）

背景问题：当目标函数的等高线为图3.1所示时，梯度下降的过程中可能会发生振荡：

图3.1 梯度下降振荡的例子>
Momentum：
On iteration t:
  Compute $dw,db$ on current mini-batch.

$$\begin{align*} v_{dw}&=\beta v_{dw}+(1-\beta)dw \\ v_{db}&=\beta v_{db}+(1-\beta)db \\ w&:=w-\alpha v_{dw};\\ b&:=b-\alpha v_{db}\\ \tag{3-1} \end{align*}$$

采用前面提到的指数加权平均可以使梯度的下降过程更平滑。
一般$\beta$取0.9就好，而且实际中一般不用修正偏差，因为迭代几步后偏差就自动减小很多了。

4. RMSprop（Root Mean Square prop，均方根传递）

On iteration t:
  Compute $dw,db$ on current mini-batch.

$$\begin{align*} s_{dw}&=\beta s_{dw}+(1-\beta)dw^2 \\ s_{db}&=\beta s_{db}+(1-\beta)db^2 \\ w&:=w-\alpha \frac{dw}{\sqrt{ s_{dw}}};\\ b&:=b-\alpha \frac{db}{\sqrt{ s_{db}}}\\ \tag{4-1} \end{align*}$$

垂直方向除以一个较大的数，水平方向除以一个较小的数（假设b是垂直方向，w是水平方向）。为了防止分母出现零的情况，可以在分母加上一个小的$\epsilon$

5. Adam优化算法

Adam的本质是将动量和RMSprop结合起来。
$v_{dw}=0,s_{dw}=0.v_{db}=0,s_{db}=0.$
On iteration t:
  Compute $dw,db$ on current mini-batch.

$$\begin{align*} v_{dw}&=\beta_1 v_{dw}+(1-\beta_1)dw \\ v_{db}&=\beta_1 v_{db}+(1-\beta_1)db \\ s_{dw}&=\beta_2 s_{dw}+(1-\beta_2)dw^2 \\ s_{db}&=\beta_2 s_{db}+(1-\beta_2)db^2 \\ V_{dw}^{corrected}&=v_{dw}/\left(1-\beta_1^t\right),V_{db}^{corrected}=v_{db}/\left(1-\beta_1^t\right)\\ S_{dw}^{corrected}&=s_{dw}/\left(1-\beta_2^t\right),S_{db}^{corrected}=s_{db}/\left(1-\beta_2^t\right)\\ w&:=w-\alpha \frac{V_{dw}^{corrected}}{\sqrt{ S_{dw}^{corrected}}};\\ b&:=b-\alpha \frac{V_{db}^{corrected}}{\sqrt{ S_{db}^{corrected}}}\\ \tag{5-1} \end{align*}$$

超参数：
$\alpha$:人工调整
$\beta_1:0.9$，$(dw)$
$\beta_2:0.999$，$(dw^2)$
$\epsilon$:$10^{-8}$

6. 学习率衰减（learning rate decay）

图6.1 固定学习率导致不能完全收敛的示意图
解决方法：让学习率$\alpha$逐渐下降。
下降的形式：

• $\alpha=\frac{1}{1+decay-rate\ *\ epoch-num}$
• $\alpha=0.95^{epoch-num}\cdot\alpha_0$
• $\alpha=\frac{k}{\sqrt epoch-num}\alpha_0$
• …