深度学习最全优化方法总结比较及在tensorflow实现

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梯度下降算法针对凸优化问题原则上是可以收敛到全局最优的，因为此时只有唯一的局部最优点。而实际上深度学习模型是一个复杂的非线性结构，一般属于非凸问题，这意味着存在很多局部最优点（鞍点），采用梯度下降算法可能会陷入局部最优，这应该是最头疼的问题。这点和进化算法如遗传算法很类似，都无法保证收敛到全局最优。因此，我们注定在这个问题上成为“高级炼丹师”。可以看到，梯度下降算法中一个重要的参数是学习速率，适当的学习速率很重要：学习速率过小时收敛速度慢，而过大时导致训练震荡，而且可能会发散。理想的梯度下降算法要满足两点：收敛速度要快；能全局收敛。为了这个理想，出现了很多经典梯度下降算法的变种，下面将分别介绍它们。

SGD

梯度下降算法（Gradient Descent Optimization）是神经网络模型训练最常用的优化算法。梯度下降算法背后的原理：目标函数J(θ)关于参数θ的梯度将是目标函数上升最快的方向，对于最小化优化问题，只需要将参数沿着梯度相反的方向前进一个步长(学习速率)，就可以实现目标函数的下降。参数更新公式如下：

其中是参数的梯度。

根据计算目标函数J(θ)采用数据量的大小，梯度下降算法又可以分为批量梯度下降算法（Batch Gradient Descent），随机梯度下降算法（Stochastic GradientDescent）和小批量梯度下降算法（Mini-batch Gradient Descent）。

批量梯度下降算法，J(θ)是在整个训练集上计算的，如果数据集比较大，可能会面临内存不足问题，而且其收敛速度一般比较慢。

随机梯度下降算法，J(θ)是针对训练集中的一个训练样本计算的，又称为在线学习，即得到了一个样本，就可以执行一次参数更新。所以其收敛速度会快一些，但是有可能出现目标函数值震荡现象，因为高频率的参数更新导致了高方差。

小批量梯度下降算法，是折中方案，J(θ)选取训练集中一个小批量样本计算，这样可以保证训练过程更稳定，而且采用批量训练方法也可以利用矩阵计算的优势。这是目前最常用的梯度下降算法。

optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.001).minimize(loss)

momentum

SGD方法的一个缺点是，其更新方向完全依赖于当前的batch，因而其更新十分不稳定，每次迭代计算的梯度含有比较大的噪音。解决这一问题的一个简单的做法便是引入momentum，momentum即动量，是BorisPolyak在1964年提出的，其基于物体运动时的惯性：将一个小球从山顶滚下，其初始速率很慢，但在加速度作用下速率很快增加，并最终由于阻力的存在达到一个稳定速率，即更新的时候在一定程度上保留之前更新的方向，同时利用 当前batch的梯度 微调最终的更新方向。这样一来，可以在一定程度上增加稳定性，从而学习地更快，并且还有一定摆脱局部最优的能力。

其更新方程如下：

可以看到，参数更新时不仅考虑当前梯度值，而且加上了一个动量项γm，但多了一个超参γ，通常γ设置为0.5，直到初始学习稳定，然后增加到0.9或更高。相比原始梯度下降算法，动量梯度下降算法有助于加速收敛。当梯度与动量方向一致时，动量项会增加，而相反时，动量项减少，因此动量梯度下降算法可以减少训练的震荡过程。

tf.train.MomentumOptimizer(learning_rate=learning_rate,momentum=0.9)

NAG

NAG（Nesterov Accelerated Gradient），，由Ilya Sutskever(2012 unpublished)在Nesterov工作的启发下提出的。对动量梯度下降算法的改进版本，其速度更快。其变化之处在于计算“超前梯度”更新动量项 γm，具体公式如下：

既然参数要沿着动量项 γm更新，不妨计算未来位置（θ -γm）的梯度，然后合并两项作为最终的更新项，其具体效果如图1所示，可以看到一定的加速效果。

 

momentum基础上设置 use_nesterov=True

tf.train.MomentumOptimizer(learning_rate=learning_rate,momentum=0.9, use_nesterov=True)

AdaGrad

AdaGrad是Duchi在2011年提出的一种学习速率自适应的梯度下降算法。在训练迭代过程，其学习速率是逐渐衰减的，经常更新的参数其学习速率衰减更快，这是一种自适应算法。其更新过程如下：

每步迭代过程:

从训练集中的随机抽取一批容量为m的样本{x1,…,xm},以及相关的输出yi

计算梯度和误差,更新r,再根据r和梯度计算参数更新量: 

 

其中，全局学习速率 ϵ, 初始参数 θ，梯度平方的累计量r初始化为0)， δ（通常为10^−7）是为了防止分母的为 0。

由于梯度平方的累计量r逐渐增加的，那么学习速率是衰减的。考虑下图所示的情况，目标函数在两个方向的坡度不一样，如果是原始的梯度下降算法，在接近坡底时收敛速度比较慢。而当采用AdaGrad，这种情况可以被改善。由于比较陡的方向梯度比较大，其学习速率将衰减得更快，这有利于参数沿着更接近坡底的方向移动，从而加速收敛。对于每个参数，随着其更新的总距离增多，其学习速率也随之变慢。

缺点: 任然要设置一个变量ϵ ,经验表明，在普通算法中也许效果不错，但在深度学习中，深度过深时会造成训练提前结束。

tf.train.AdagradOptimizer(learning_rate=0.001).minimize(loss)

Adadelta

Adadelta是对Adagrad的扩展，最初方案依然是对学习率进行自适应约束，但是进行了计算上的简化。 

Adagrad会累加之前所有的梯度平方，而Adadelta只累加固定大小的项，并且也不直接存储这些项，仅仅是近似计算对应的平均值。即：

 

其中，η是学习率，gt 是梯度

在此处Adadelta其实还是依赖于全局学习率的，但是作者做了一定处理，经过近似牛顿迭代法之后：

其中，E代表求期望。此时，可以看出Adadelta已经不用依赖于全局学习率了。

tf.train.AdadeltaOptimizer(learning_rate=0.001).minimize(loss)

RMSProp 

RMSprop是对Adagrad算法的改进，主要是解决。其实思路很简单，类似Momentum思想，引入一个衰减系数，让梯度平方的累计量r 每回合都衰减一定比例：

其中，衰减系数ρ

decay: 衰减率

epsilon: 设置较小的值，防止分母的为 0.

tf.train.RMSPropOptimizer(learning_rate=0.001,momentum=0.9, decay=0.9, epsilon=1e-10)

优点： 

- 相比于AdaGrad,这种方法有效减少了出现梯度爆炸情况，因此避免了学习速率过快衰减的问题。 

- 适合处理非平稳目标，对于RNN效果很好

缺点： 

- 又引入了新的超参—衰减系数ρ 

- 依然依赖于全局学习速率，

总结：RMSprop算是Adagrad的一种发展，和Adadelta的变体，效果趋于二者之间。

Adam 

自适应矩估计（daptive moment estimation，Adam），是Kingma等在2015年提出的一种新的优化算法，本质上是带有动量项的RMSprop，其结合了Momentum和RMSprop算法的思想。它利用梯度的一阶矩估计 和 二阶矩估计 动态调整每个参数的学习率。

具体实现每步迭代过程:

从训练集中的随机抽取一批容量为m的样本{x1,…,xm},以及相关的输出yi

计算梯度和误差,更新r和s,再根据r和s以及梯度计算参数更新量 ： 

其中，一阶动量s，二阶动量r（初始化为0），一阶动量衰减系数ρ1, 二阶动量衰减系数ρ2 

超参数的建议值是ρ1=0.9，ρ2 =0.999，epsilon: 设置较小的值，防止分母的为 0。

实践

各种优化方法在CIFAR-10图像识别上比较：

图片来源：The Marginal Value of Adaptive Gradient Methods in Machine Learning

自适应优化算法在训练前期阶段在训练集上收敛的更快，但是在测试集上反而并不理想。 

用相同数量的超参数来调参，SGD和SGD +momentum 方法性能在测试集上的额误差好于所有的自适应优化算法，尽管有时自适应优化算法在训练集上的loss更小，但是他们在测试集上的loss却依然比SGD方法高， 

总结：

对于稀疏数据，优先选择学习速率自适应的算法如RMSprop和Adam算法，而且最好采用默认值，大部分情况下其效果是较好的

SGD通常训练时间更长，容易陷入鞍点，但是在好的初始化和学习率调度方案的情况下，结果更可靠。

如果要求更快的收敛，并且较深较复杂的网络时，推荐使用学习率自适应的优化方法。例如对于RNN之类的网络结构,Adam速度快,效果好,而对于CNN之类的网络结构,SGD +momentum 的更新方法要更好（常见国际顶尖期刊常见优化方法）.

Adadelta，RMSprop，Adam是比较相近的算法，在相似的情况下表现差不多。

在想使用带动量的RMSprop，或者Adam的地方，大多可以使用Nadam取得更好的效果。

特别注意学习速率的问题。学习速率设置得非常大，那么训练可能不会收敛，就直接发散了；如果设置的比较小，虽然可以收敛，但是训练时间可能无法接受。理想的学习速率是：刚开始设置较大，有很快的收敛速度，然后慢慢衰减，保证稳定到达最优

其实还有很多方面会影响梯度下降算法，如梯度的消失与爆炸，梯度下降算法目前无法保证全局收敛还将是一个持续性的数学难题。

参考：

[1]Adagrad 

[2]RMSprop[Lecture 6e] 

[3]Adadelta 

[4]Adam 

[5]Nadam 

[6]On the importance of initialization and momentum in deep learning 

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