如何训练深度神经网络？老司机的 15 点建议

本文为印度深度学习专家、创业者 Rishabh Shukla 在 GitHub 上发表的长博文，总结了他过去的开发经验，旨在给新入门的开发者提供指导。雷锋网做了不改变原意的编译。

在深度学习领域，为了高效训练深度神经网络，有些实践方法被过来人强烈推荐。

在这篇博文中，我会覆盖几种最常使用的实践方法，从高品质训练数据的重要性、超参数（hyperparameters）到更快创建 DNN（深度神经网络） 原型模型的一般性建议。 这些推荐方法中的大多数，已被学术界的研究所证实 ，并在论文中展示了相关实验、数学证据，比如 Efficient BackProp(Yann LeCun et al.) 和  Practical Recommendations for Deep Architectures(Yoshua Bengio) 。

1. 训练数据

许多 ML 开发者习惯把原始训练数据直接扔给 DNN——为什么不这么做呢？既然任何 DNN （大多数人的假设）仍然能够给出不错的结果，不是吗？但是，有句老话叫 “给定恰当的数据类型，一个简单的模型能比复杂 DNN 提供更好、更快的结果” 。虽然这有一些例外，但在今天，这句话仍然没有过时。因此，不管你是在计算机视觉（ CV），自然语言处理（NLP）还是统计建模（Statistical Modelling）等领域，想要对原始数据预处理，有几个方法可以得到更好的训练数据：

• 获取越大的数据库越好。DNN 对数据很饥渴，越多越好。

• 去除所有包含损坏数据的训练样本，比如短文字，高度扭曲的图像，假输出标签，包含许多虚值（null values）的属性。

• Data Augmentation（数据扩张）——生成新样例。以图像为例，重新调节，增加噪声等等。

2. 选择恰当的激励函数（activation function）

激励函数是所有神经网络的核心部分之一。

激励函数把渴望已久的非线性（non-linearity）加入了模型。多年来，Sigmoid 函数 一直是多数人倾向的选择。但是，Sigmoid 函数不可避免地存在两个缺陷：1. 尾部  sigmoids 的饱和，进一步导致梯度消失。2. 不以 0 为中心（输出在 0 到 1 之间）。

一个更好的替代选择是 Tanh 函数。数学上来说，Tanh 只是调整、平移过的 Sigmoid 函数：tanh(x) = 2*sigmoid(x) - 1。虽然 Tanh 仍旧存在梯度消失的缺陷，但好消息是：Tanh 以 0 为中心。因此，把 Tanh 作为激励函数能更快地收敛（converge）。我发现使用 Tanh 通常比 Sigmoid 效果更好。

你还可以探索其他选择，比如 ReLU, SoftSign 等等。对于一些特定任务， 它们能够改善上述问题。

3. 隐藏单元和隐层（Hidden Units and Layers）的数量

保留超出最优数量的隐藏单元，一般是比较保险的做法。这是因为任何正则化方法（ regularization method）都会处理好超出的单元，至少在某种程度上是这样。在另一方面，保留比最优数量更少的隐藏单元，会导致更高的模型欠拟合（underfitting）几率。

另外，当采用无监督预训练的表示时（unsupervised pre-trained representations，下文会做进一步解释），隐藏单元的最优数目一般会变得更大。因此，预训练的表示可能会包含许多不相关信息（对于特定任务）。 通过增加隐藏单元的数目，模型会得到所需的灵活性，以在预训练表示中过滤出最合适的信息。

选择隐层的最优数目比较直接。正如 Yoshua Bengio 在  Quora 中提到的：

“你只需不停增加层，直到测试误差不再减少。”

4. 权重初始化 （Weight Initialization）

永远用小的随机数字初始化权重，以打破不同单元间的对称性（symmetry）。但权重应该是多小呢？推荐的上限是多少？用什么概率分布产生随机数字？

当使用 Sigmoid 激励函数时，如果权重初始化为很大的数字，那么 sigmoid 会饱和（尾部区域），导致死神经元（dead neurons）。如果权重特别小，梯度也会很小。 因此，最好是在中间区域选择权重，比如说那些围绕平均值均衡分布的数值。

幸运的是，已经有许多关于初始权重合适取值的研究。这对于高效的收敛非常重要。为初始化均衡分布的权重，均匀分布（uniform distribution ）或许是最好的选择之一。另外，就像论文中所展示的（ Glorot and Bengio, 2010） ，有更多输入连接（fan_in）的单位，应该有相对更小的权重。

多亏这些十分透彻的试验，现在我们已经有了经过检验的公式，可以直接用来权重的初始化。

比如说在  ~ Uniform(-r, r) 提取的权重，对于 tanh 激励  r=sqrt(6/(fan_in+fan_out))；对于 sigmoid 激励 r=4*(sqrt(6/fan_in+fan_out)) 。fan_in 是上一层的大小， 而 fan_out 是下一层的。

5. 学习率

这或许是最重要的超参数之一，调节着学习过程。如果学习率设置得太小，你的模型很可能需要 n 年来收敛。设置得太大，再加上不多的初始训练样本，你的损失可能会极高。一般来说，0.01 的学习率比较保险。但雷锋网 (公众号：雷锋网) 提醒各位读者，这不是一个严格的标准。最优学习率与特定任务的属性息息相关。

相比固定学习率，在每个周期、或每几千个样例后逐渐降低学习率是另一个选择。虽然这能更快地训练，但需要人工决定新的学习率。一般来说，学习率可以在每个周期后减半。几年前，这种策略十分普遍。

幸运的是， 我们现在有了更好的、 基于动能（momentum based）的方法 ，来调整学习率。 这取决于误差函数的曲率。另外，既然有些参数有更快、或更慢的学习速率；它或许能帮助我们针对模型中的单独参数，设定不同的学习率。

最近有大量关于优化方法的研究，导致了 自适应学习率（adaptive learning rates） 。目前我们有许多选择，从老式动能方法（ Momentum Method ），到  Adagrad、Adam （个人最爱）、 RMSProp 等等。；类似于 Adagrad 或 Adam 的方法，能替我们省去人工选择初始学习率的麻烦；给定合适的时间，模型会开始平滑地收敛。当然，选择一个特别合适的初始学习率仍然能起到帮助作用。

6. 超参数调参：扔掉网格搜索，拥抱随机搜索

网格搜索（Grid Search ）在经典机器学习中十分普遍。但它在寻找 DNN 的最优超参数方面一点也不高效。这主要是由于 DNN 尝试不同超参数组合所耗费的时间。 随着超参数不断增长，网格搜索需要的计算性能会指数级增长 。

有两种解决办法：

1. 取决于你之前的经验，你可以人工对部分常见超参数调参，比如学习率、隐层数目。

2. 采用随机搜索（random search），或者随机采样代替网格搜索，来选择最优超参数。

超参数组合通常在期望范围之内、从均匀分布中被选择出来。加入之前获得的知识来进一步缩小搜寻空间，也是有可能的（比如，学习率不应该太大也不应该太小）。大家发现， 随机搜索比网格搜索高效地多。

7. 学习方法

随机梯度下降（ Stochastic Gradient Descent ）的老方法也许对于 DNN 不是那么有效率（有例外）。最近，有许多研究聚焦于开发更灵活的优化算法，比如 Adagrad、Adam,、AdaDelta,、RMSProp 等等。在提供自适应学习率之外，这些复杂的方法还对于模型的不同参数使用不同的学习率，通常能有更平滑的收敛。把这些当做超参数是件好事，你应该每次都在训练数据的子集上试试它们。

8. 权重的维度保持为 2 的幂

即便是运行最先进的深度学习模型，使用最新、最强大的计算硬件，内存管理仍然在字节（byte）级别上进行。所以，把参数保持在 64, 128, 512, 1024 等 2 的次方永远是件好事。这也许能帮助分割矩阵和权重，导致学习效率的提升。当用 GPU 运算，这变得更明显。

9. 无监督预训练（Unsupervised Pretraining ）

不管你进行的是 NLP（自然语言处理）、计算机视觉还是语音识别等任务，无监督预训练永远能帮助你训练监督、或其他无监督模型：NLP 中词向量就（Word Vectors）无所不在；你可以用 ImageNet 的数据库，使用无监督方式对你的模型预训练，或是对于两个类别的监督分类；或是更大频域的音频样本，来在扬声器消崎模型（speaker disambiguation model）中使用该信息。

10. Mini-Batch（小批量） 对比随机学习（Stochastic Learning）

训练一个模型的主要目的是学习合适的参数，即产生输入到输出的最优映射。这些参数利用每个训练样本进行调参，不管你决定使用 batch, mini-batch 还是随机学习。当采用随机学习方法时，学习每个训练样本后权重的梯度都会进行调参，向梯度加入噪音（随机学习中“随机”的由来）。这样做的结果十分理想，比如说， 训练中加入的噪音使得模型更不容易过拟合 。

但是，随机学习方法也许效率不高。如今的计算设备有非常可观的运算能力，随机学习很可能会浪费其中的一大部分。如果我们能计算矩阵相乘，那么为什么要限制自己，重复单个矢量组之间的乘法呢？因此， 为了更高的吞吐率和更快的学习，我推荐使用 mini-batch 而不是随机学习。

但是， 选择适当的 batch 规模同样重要。 所以我们能保留一些噪音（相比大规模 batch），与此同时更高效地利用计算性能。一般来说，包含  16 个到 128 个样例的 batch（2 的幂）是不错的选择。通常，一旦你发现了更重要的超参数（通过随机搜索或是人工搜索），batch 规模就会确性下来。但是，有些场景中模型得到训练数据流（比如网络学习），那么采用随机学习就是不错的选择。

11. 打乱训练样本

这来自于信息理论（Information Theory）—— “学习到一件不太可能发生的事却发生了，比学习一件很可能发生的事已经发生，包含更多的信息。” 同样的，把训练样例的顺序随机化（在不同周期，或者 mini-batch），会导致更快的收敛。如果模型看到的很多样例不在同一种顺序下，运算速度会有小幅提升。

12. 使用 Dropout 正则化

如果有数百万的参数需要学习，正则化就是避免 DNN 过拟合的必须手段。你也可以继续使用 L1/L2 正则化， 但 Dropout 是检查 DNN 过拟合的更好方式 （雷锋网按：Dropout 是指随机让网络某些隐层节点的权重不工作，不工作的那些节点可以暂时认为不是网络结构的一部分，但是它的权重会保留下来）。执行 Dropout 很容易，并且通常能带来更快地学习。0.5 的默认值是一个不错的选择，当然，这取决于具体任务。如果模型不太复杂，0.2 的 Dropout 值或许就够了。

在测试阶段，Dropout 应该被关闭，权重要调整到相应大小。只要对一个模型进行 Dropout 正则化，多一点训练时间，误差一定会降低。

13. 周期 / 训练迭代次数

“对深度学习模型进行多个周期的训练，会得到更好的模型”——我们经常听到这句话。但多少周期才是“多”呢？其实，这里有一个简单的策略：继续按照一个固定的样例数或者周期训练模型，比如两万个样例或者一个周期。 在每批样例之后，比较测试误差（test error）和训练误差（train error），如果它们的差距在缩小，那么继续训练。 另外，记得在每批训练之后，保存模型的参数，所以训练好之后你可以从多个模型中做选择。

14. 可视化

训练深度学习模型有上千种出差错的方式。我猜大家都遇到过这样的场景：模型已经训练了几个小时或者好几天，然而在训练完成之后，才意识到某个地方出问题了。为了不让你自己神经错乱，一定要对训练过程作可视化处理 。比较显而易见的措施是保存或打印损失值、训练误差、测试误差等项目的日志。

在此之外，一个很好的措施是采用可视化库（visualization library ），在几个训练样例之后、或者周期之间，生成权重柱状图。这或许能帮助我们追踪深度学习模型中的一些常见问题，比如梯度消失与梯度爆发（Exploding Gradient）。

15. 使用支持 GPU 和自动微分法 (Automatic Differentiation）的库

谢天谢地，对于快速创建原型模型，我们已经有了相当不错的库，比如 Theano, Tensorflow, Keras 等等。几乎所有这些深度学习库支持 GPU 计算和自动微分法。所以，你不需要深入研究核心 GPU 编程技术（除非你想——这绝对很有意思）。你也不需要写自己的微分代码——在非常复杂的模型上这相当费劲（但若需要，你应该有能力去做）。 Tensorflow还提供了分布式计算的支持——如果你是土豪的话。

最后雷锋网提醒，这并不是训练 DNN 的完整注意事项表。为了容纳最常见的实践方法，作者去除了一些概念，比如 Normalization of inputs, Batch/Layer Normalization, Gradient Check 等。

via github

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