uczenie-maszynowe/wyk/12_Metody_optymalizacji.ipynb
Paweł Skórzewski a4f9c87756 Wykłady 12 i 13
2024-01-18 17:31:30 +01:00

10 KiB
Raw Permalink Blame History

Uczenie maszynowe

12. Metody optymalizacji

12.1. Warianty metody gradientu prostego

  • Batch gradient descent
  • Stochastic gradient descent
  • Mini-batch gradient descent

_Batch gradient descent

  • Klasyczna wersja metody gradientu prostego
  • Obliczamy gradient funkcji kosztu względem całego zbioru uczącego: $$ \theta := \theta - \alpha \cdot \nabla_\theta J(\theta) $$
  • Dlatego może działać bardzo powoli
  • Nie można dodawać nowych przykładów na bieżąco w trakcie trenowania modelu (_online learning)

_Stochastic gradient descent (SGD)

Algorytm

Powtórz określoną liczbę razy (liczba epok):

  1. Randomizuj dane treningowe
  2. Powtórz dla każdego przykładu $i = 1, 2, \ldots, m$: $$ \theta := \theta - \alpha \cdot \nabla_\theta , J ! \left( \theta, x^{(i)}, y^{(i)} \right) $$

Randomizacja danych to losowe potasowanie przykładów uczących (wraz z odpowiedziami).

SGD zalety

  • Dużo szybszy niż _batch gradient descent
  • Można dodawać nowe przykłady na bieżąco w trakcie trenowania (_online learning)

SGD

  • Częsta aktualizacja parametrów z dużą wariancją:
  • Z jednej strony dzięki temu nie utyka w złych minimach lokalnych, ale z drugiej strony może „wyskoczyć” z dobrego minimum

_Mini-batch gradient descent

Algorytm

  1. Ustal rozmiar "paczki/wsadu" (_batch) $b \leq m$.
  2. Powtórz określoną liczbę razy (liczba epok):
  3. Powtórz dla każdego batcha (czyli dla $i = 1, 1 + b, 1 + 2 b, \ldots$): $$ \theta := \theta - \alpha \cdot \nabla_\theta , J \left( \theta, x^{(i : i+b)}, y^{(i : i+b)} \right) $$

_Mini-batch gradient descent

  • Kompromis między _batch gradient descent i SGD
  • Stabilniejsza zbieżność dzięki redukcji wariancji aktualizacji parametrów
  • Szybszy niż klasyczny _batch gradient descent
  • Typowa wielkość batcha: między kilka a kilkaset przykładów
    • Im większy batch, tym bliżej do BGD; im mniejszy batch, tym bliżej do SGD
    • BGD i SGD można traktować jako odmiany MBGD dla $b = m$ i $b = 1$
# Mini-batch gradient descent - przykładowa implementacja

def MiniBatchSGD(h, fJ, fdJ, theta, X, y, 
        alpha=0.001, maxEpochs=1.0, batchSize=100, 
        logError=True):
    errorsX, errorsY = [], []
    
    m, n = X.shape
    start, end = 0, batchSize
    
    maxSteps = (m * float(maxEpochs)) / batchSize
    for i in range(int(maxSteps)):
        XBatch, yBatch =  X[start:end,:], y[start:end,:]

        theta = theta - alpha * fdJ(h, theta, XBatch, yBatch)
        
        if logError:
            errorsX.append(float(i*batchSize)/m)
            errorsY.append(fJ(h, theta, XBatch, yBatch).item())
        
        if start + batchSize < m:
            start += batchSize
        else:
            start = 0
        end = min(start + batchSize, m)
        
    return theta, (errorsX, errorsY)

Porównanie, jak zmienia się wartość funkcji kosztu podczas optymalizacji:

Wady klasycznej metody gradientu prostego, czyli dlaczego potrzebujemy optymalizacji

  • Trudno dobrać właściwą szybkość uczenia (_learning rate)
  • Jedna ustalona wartość stałej uczenia się dla wszystkich parametrów
  • Funkcja kosztu dla sieci neuronowych nie jest wypukła, więc uczenie może utknąć w złym minimum lokalnym lub punkcie siodłowym

12.2. Algorytmy optymalizacji metody gradientu

  • Momentum
  • Nesterov Accelerated Gradient
  • Adagrad
  • Adadelta
  • RMSprop
  • Adam
  • Nadam
  • AMSGrad

Momentum

  • SGD źle radzi sobie w „wąwozach” funkcji kosztu
  • Momentum rozwiązuje ten problem przez dodanie współczynnika $\gamma$, który można trakować jako „pęd” spadającej piłki: $$ v_t := \gamma , v_{t-1} + \alpha , \nabla_\theta J(\theta) $$ $$ \theta := \theta - v_t $$

Przyspieszony gradient Nesterova (_Nesterov Accelerated Gradient, NAG)

  • Momentum czasami powoduje niekontrolowane rozpędzanie się piłki, przez co staje się „mniej sterowna”
  • Nesterov do piłki posiadającej pęd dodaje „hamulec”, który spowalnia piłkę przed wzniesieniem: $$ v_t := \gamma , v_{t-1} + \alpha , \nabla_\theta J(\theta - \gamma , v_{t-1}) $$ $$ \theta := \theta - v_t $$

Adagrad

  • Adaptive gradient”
  • Adagrad dostosowuje współczynnik uczenia (_learning rate) do parametrów: zmniejsza go dla cech występujących częściej, a zwiększa dla występujących rzadziej
  • Wada: współczynnik uczenia może czasami gwałtownie maleć
  • Wyniki badań pokazują, że często starannie dobrane $\alpha$ daje lepsze wyniki na zbiorze testowym

Adadelta i RMSprop

  • Warianty algorytmu Adagrad, które radzą sobie z problemem gwałtownych zmian współczynnika uczenia

Adam

  • Adaptive moment estimation”
  • Łączy zalety algorytmów RMSprop i Momentum
  • Można go porównać do piłki mającej ciężar i opór
  • Obecnie jeden z najpopularniejszych algorytmów optymalizacji

Nadam

  • Nesterov-accelerated adaptive moment estimation”
  • Łączy zalety algorytmów Adam i Nesterov Accelerated Gradient

AMSGrad

  • Wariant algorytmu Adam lepiej dostosowany do zadań takich jak rozpoznawanie obiektów czy tłumaczenie maszynowe