{ "cells": [ { "cell_type": "markdown", "id": "ea94735a", "metadata": { "origin_pos": 0 }, "source": [ "# 权重衰减\n", ":label:`sec_weight_decay`\n", "\n", "前一节我们描述了过拟合的问题,本节我们将介绍一些正则化模型的技术。\n", "我们总是可以通过去收集更多的训练数据来缓解过拟合。\n", "但这可能成本很高,耗时颇多,或者完全超出我们的控制,因而在短期内不可能做到。\n", "假设我们已经拥有尽可能多的高质量数据,我们便可以将重点放在正则化技术上。\n", "\n", "回想一下,在多项式回归的例子( :numref:`sec_model_selection`)中,\n", "我们可以通过调整拟合多项式的阶数来限制模型的容量。\n", "实际上,限制特征的数量是缓解过拟合的一种常用技术。\n", "然而,简单地丢弃特征对这项工作来说可能过于生硬。\n", "我们继续思考多项式回归的例子,考虑高维输入可能发生的情况。\n", "多项式对多变量数据的自然扩展称为*单项式*(monomials),\n", "也可以说是变量幂的乘积。\n", "单项式的阶数是幂的和。\n", "例如,$x_1^2 x_2$和$x_3 x_5^2$都是3次单项式。\n", "\n", "注意,随着阶数$d$的增长,带有阶数$d$的项数迅速增加。 \n", "给定$k$个变量,阶数为$d$的项的个数为\n", "${k - 1 + d} \\choose {k - 1}$,即$C^{k-1}_{k-1+d} = \\frac{(k-1+d)!}{(d)!(k-1)!}$。\n", "因此即使是阶数上的微小变化,比如从$2$到$3$,也会显著增加我们模型的复杂性。\n", "仅仅通过简单的限制特征数量(在多项式回归中体现为限制阶数),可能仍然使模型在过简单和过复杂中徘徊,\n", "我们需要一个更细粒度的工具来调整函数的复杂性,使其达到一个合适的平衡位置。\n", "## 范数与权重衰减\n", "\n", "在 :numref:`subsec_lin-algebra-norms`中,\n", "我们已经描述了$L_2$范数和$L_1$范数,\n", "它们是更为一般的$L_p$范数的特殊情况。\n", "(~~权重衰减是最广泛使用的正则化的技术之一~~)\n", "在训练参数化机器学习模型时,\n", "*权重衰减*(weight decay)是最广泛使用的正则化的技术之一,\n", "它通常也被称为$L_2$*正则化*。\n", "这项技术通过函数与零的距离来衡量函数的复杂度,\n", "因为在所有函数$f$中,函数$f = 0$(所有输入都得到值$0$)\n", "在某种意义上是最简单的。\n", "但是我们应该如何精确地测量一个函数和零之间的距离呢?\n", "没有一个正确的答案。\n", "事实上,函数分析和巴拿赫空间理论的研究,都在致力于回答这个问题。\n", "\n", "一种简单的方法是通过线性函数\n", "$f(\\mathbf{x}) = \\mathbf{w}^\\top \\mathbf{x}$\n", "中的权重向量的某个范数来度量其复杂性,\n", "例如$\\| \\mathbf{w} \\|^2$。\n", "要保证权重向量比较小,\n", "最常用方法是将其范数作为惩罚项加到最小化损失的问题中。\n", "将原来的训练目标*最小化训练标签上的预测损失*,\n", "调整为*最小化预测损失和惩罚项之和*。\n", "现在,如果我们的权重向量增长的太大,\n", "我们的学习算法可能会更集中于最小化权重范数$\\| \\mathbf{w} \\|^2$。\n", "这正是我们想要的。\n", "让我们回顾一下 :numref:`sec_linear_regression`中的线性回归例子。\n", "我们的损失由下式给出:\n", "\n", "$$L(\\mathbf{w}, b) = \\frac{1}{n}\\sum_{i=1}^n \\frac{1}{2}\\left(\\mathbf{w}^\\top \\mathbf{x}^{(i)} + b - y^{(i)}\\right)^2.$$\n", "\n", "回想一下,$\\mathbf{x}^{(i)}$是样本$i$的特征,\n", "$y^{(i)}$是样本$i$的标签,\n", "$(\\mathbf{w}, b)$是权重和偏置参数。\n", "为了惩罚权重向量的大小,\n", "我们必须以某种方式在损失函数中添加$\\| \\mathbf{w} \\|^2$,\n", "但是模型应该如何平衡这个新的额外惩罚的损失?\n", "实际上,我们通过*正则化常数*$\\lambda$来描述这种权衡,\n", "这是一个非负超参数,我们使用验证数据拟合:\n", "\n", "$$L(\\mathbf{w}, b) + \\frac{\\lambda}{2} \\|\\mathbf{w}\\|^2,$$\n", "\n", "对于$\\lambda = 0$,我们恢复了原来的损失函数。\n", "对于$\\lambda > 0$,我们限制$\\| \\mathbf{w} \\|$的大小。\n", "这里我们仍然除以$2$:当我们取一个二次函数的导数时,\n", "$2$和$1/2$会抵消,以确保更新表达式看起来既漂亮又简单。\n", "为什么在这里我们使用平方范数而不是标准范数(即欧几里得距离)?\n", "我们这样做是为了便于计算。\n", "通过平方$L_2$范数,我们去掉平方根,留下权重向量每个分量的平方和。\n", "这使得惩罚的导数很容易计算:导数的和等于和的导数。\n", "\n", "此外,为什么我们首先使用$L_2$范数,而不是$L_1$范数。\n", "事实上,这个选择在整个统计领域中都是有效的和受欢迎的。\n", "$L_2$正则化线性模型构成经典的*岭回归*(ridge regression)算法,\n", "$L_1$正则化线性回归是统计学中类似的基本模型,\n", "通常被称为*套索回归*(lasso regression)。\n", "使用$L_2$范数的一个原因是它对权重向量的大分量施加了巨大的惩罚。\n", "这使得我们的学习算法偏向于在大量特征上均匀分布权重的模型。\n", "在实践中,这可能使它们对单个变量中的观测误差更为稳定。\n", "相比之下,$L_1$惩罚会导致模型将权重集中在一小部分特征上,\n", "而将其他权重清除为零。\n", "这称为*特征选择*(feature selection),这可能是其他场景下需要的。\n", "\n", "使用与 :eqref:`eq_linreg_batch_update`中的相同符号,\n", "$L_2$正则化回归的小批量随机梯度下降更新如下式:\n", "\n", "$$\n", "\\begin{aligned}\n", "\\mathbf{w} & \\leftarrow \\left(1- \\eta\\lambda \\right) \\mathbf{w} - \\frac{\\eta}{|\\mathcal{B}|} \\sum_{i \\in \\mathcal{B}} \\mathbf{x}^{(i)} \\left(\\mathbf{w}^\\top \\mathbf{x}^{(i)} + b - y^{(i)}\\right).\n", "\\end{aligned}\n", "$$\n", "\n", "根据之前章节所讲的,我们根据估计值与观测值之间的差异来更新$\\mathbf{w}$。\n", "然而,我们同时也在试图将$\\mathbf{w}$的大小缩小到零。\n", "这就是为什么这种方法有时被称为*权重衰减*。\n", "我们仅考虑惩罚项,优化算法在训练的每一步*衰减*权重。\n", "与特征选择相比,权重衰减为我们提供了一种连续的机制来调整函数的复杂度。\n", "较小的$\\lambda$值对应较少约束的$\\mathbf{w}$,\n", "而较大的$\\lambda$值对$\\mathbf{w}$的约束更大。\n", "\n", "是否对相应的偏置$b^2$进行惩罚在不同的实践中会有所不同,\n", "在神经网络的不同层中也会有所不同。\n", "通常,网络输出层的偏置项不会被正则化。\n", "\n", "## 高维线性回归\n", "\n", "我们通过一个简单的例子来演示权重衰减。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 1, "id": "25b62a3c", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:28.311844Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:28.311314Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:30.305741Z", 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"唯一的变化是损失现在包括了惩罚项。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 5, "id": "91f679c4", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:30.341209Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:30.340602Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:30.349145Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:30.347929Z" }, "origin_pos": 19, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [], "source": [ "def train(lambd):\n", " w, b = init_params()\n", " net, loss = lambda X: d2l.linreg(X, w, b), d2l.squared_loss\n", " num_epochs, lr = 100, 0.003\n", " animator = d2l.Animator(xlabel='epochs', ylabel='loss', yscale='log',\n", " xlim=[5, num_epochs], legend=['train', 'test'])\n", " for epoch in range(num_epochs):\n", " for X, y in train_iter:\n", " # 增加了L2范数惩罚项,\n", " # 广播机制使l2_penalty(w)成为一个长度为batch_size的向量\n", " l = loss(net(X), y) + lambd * l2_penalty(w)\n", " l.sum().backward()\n", " d2l.sgd([w, b], lr, batch_size)\n", " if (epoch + 1) % 5 == 0:\n", " animator.add(epoch + 1, 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" ] }, "metadata": { "needs_background": "light" }, "output_type": "display_data" } ], "source": [ "train(lambd=3)" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "d0035265", "metadata": { "origin_pos": 26 }, "source": [ "## [**简洁实现**]\n", "\n", "由于权重衰减在神经网络优化中很常用,\n", "深度学习框架为了便于我们使用权重衰减,\n", "将权重衰减集成到优化算法中,以便与任何损失函数结合使用。\n", "此外,这种集成还有计算上的好处,\n", "允许在不增加任何额外的计算开销的情况下向算法中添加权重衰减。\n", "由于更新的权重衰减部分仅依赖于每个参数的当前值,\n", "因此优化器必须至少接触每个参数一次。\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "98d21b41", "metadata": { "origin_pos": 28, "tab": [ "pytorch" ] }, "source": [ "在下面的代码中,我们在实例化优化器时直接通过`weight_decay`指定weight decay超参数。\n", "默认情况下,PyTorch同时衰减权重和偏移。\n", "这里我们只为权重设置了`weight_decay`,所以偏置参数$b$不会衰减。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 8, "id": "9f8181f6", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:43.354334Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:43.353740Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:43.362481Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:43.361385Z" }, "origin_pos": 31, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [], "source": [ "def train_concise(wd):\n", " net = nn.Sequential(nn.Linear(num_inputs, 1))\n", " for param in net.parameters():\n", " param.data.normal_()\n", " loss = nn.MSELoss(reduction='none')\n", " num_epochs, lr = 100, 0.003\n", " # 偏置参数没有衰减\n", " trainer = torch.optim.SGD([\n", " {\"params\":net[0].weight,'weight_decay': wd},\n", " {\"params\":net[0].bias}], lr=lr)\n", " animator = d2l.Animator(xlabel='epochs', ylabel='loss', yscale='log',\n", " xlim=[5, num_epochs], legend=['train', 'test'])\n", " for epoch in range(num_epochs):\n", " for X, y in train_iter:\n", " trainer.zero_grad()\n", " l = loss(net(X), y)\n", " l.mean().backward()\n", " trainer.step()\n", " if (epoch + 1) % 5 == 0:\n", " animator.add(epoch + 1,\n", " (d2l.evaluate_loss(net, train_iter, loss),\n", " d2l.evaluate_loss(net, test_iter, loss)))\n", " print('w的L2范数:', net[0].weight.norm().item())" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "0b88495f", "metadata": { "origin_pos": 34 }, "source": [ "[**这些图看起来和我们从零开始实现权重衰减时的图相同**]。\n", "然而,它们运行得更快,更容易实现。\n", "对于更复杂的问题,这一好处将变得更加明显。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 9, "id": "9a5e87a7", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:43.366115Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:43.365528Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:51.684141Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:51.682995Z" }, "origin_pos": 35, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [ { "name": "stdout", "output_type": "stream", "text": [ "w的L2范数: 13.727912902832031\n" ] }, { "data": { "image/svg+xml": [ "\n", "\n", "\n", " \n", " \n", " \n", " \n", " 2023-08-18T07:02:51.521613\n", " image/svg+xml\n", " \n", " \n", " Matplotlib v3.5.1, https://matplotlib.org/\n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", "\n" ], "text/plain": [ "
" ] }, "metadata": { "needs_background": "light" }, "output_type": "display_data" } ], "source": [ "train_concise(0)" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 10, "id": "9ce1b94b", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:51.687995Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:51.687429Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:59.219685Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:59.218433Z" }, "origin_pos": 36, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [ { "name": "stdout", "output_type": "stream", "text": [ "w的L2范数: 0.3890590965747833\n" ] }, { "data": { "image/svg+xml": [ "\n", "\n", "\n", " \n", " \n", " \n", " \n", " 2023-08-18T07:02:59.127836\n", " image/svg+xml\n", " \n", " \n", " Matplotlib v3.5.1, https://matplotlib.org/\n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", "\n" ], "text/plain": [ "
" ] }, "metadata": { "needs_background": "light" }, "output_type": "display_data" } ], "source": [ "train_concise(3)" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "327dcd70", "metadata": { "origin_pos": 37 }, "source": [ "到目前为止,我们只接触到一个简单线性函数的概念。\n", "此外,由什么构成一个简单的非线性函数可能是一个更复杂的问题。\n", "例如,[再生核希尔伯特空间(RKHS)](https://en.wikipedia.org/wiki/Reproducing_kernel_Hilbert_space)\n", "允许在非线性环境中应用为线性函数引入的工具。\n", "不幸的是,基于RKHS的算法往往难以应用到大型、高维的数据。\n", "在这本书中,我们将默认使用简单的启发式方法,即在深层网络的所有层上应用权重衰减。\n", "\n", "## 小结\n", "\n", "* 正则化是处理过拟合的常用方法:在训练集的损失函数中加入惩罚项,以降低学习到的模型的复杂度。\n", "* 保持模型简单的一个特别的选择是使用$L_2$惩罚的权重衰减。这会导致学习算法更新步骤中的权重衰减。\n", "* 权重衰减功能在深度学习框架的优化器中提供。\n", "* 在同一训练代码实现中,不同的参数集可以有不同的更新行为。\n", "\n", "## 练习\n", "\n", "1. 在本节的估计问题中使用$\\lambda$的值进行实验。绘制训练和测试精度关于$\\lambda$的函数。观察到了什么?\n", "1. 使用验证集来找到最佳值$\\lambda$。它真的是最优值吗?这有关系吗?\n", "1. 如果我们使用$\\sum_i |w_i|$作为我们选择的惩罚($L_1$正则化),那么更新方程会是什么样子?\n", "1. 我们知道$\\|\\mathbf{w}\\|^2 = \\mathbf{w}^\\top \\mathbf{w}$。能找到类似的矩阵方程吗(见 :numref:`subsec_lin-algebra-norms` 中的Frobenius范数)?\n", "1. 回顾训练误差和泛化误差之间的关系。除了权重衰减、增加训练数据、使用适当复杂度的模型之外,还能想出其他什么方法来处理过拟合?\n", "1. 在贝叶斯统计中,我们使用先验和似然的乘积,通过公式$P(w \\mid x) \\propto P(x \\mid w) P(w)$得到后验。如何得到带正则化的$P(w)$?\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "43ffd944", "metadata": { "origin_pos": 39, "tab": [ "pytorch" ] }, "source": [ "[Discussions](https://discuss.d2l.ai/t/1808)\n" ] } ], "metadata": { "language_info": { "name": "python" }, "required_libs": [] }, "nbformat": 4, "nbformat_minor": 5 }