【翻译】Sklearn 与 TensorFlow 机器学习实用指南 —— 第11章 训练深层神经网络（上）

第 10 章介绍了人工神经网络，并训练了我们的第一个深度神经网络。 但它是一个非常浅的 DNN，只有两个隐藏层。 如果你需要解决非常复杂的问题，例如检测高分辨率图像中的数百种类型的对象，该怎么办？ 你可能需要训练更深的 DNN，也许有 10 层，每层包含数百个神经元，通过数十万个连接来连接。 这不会是闲庭信步：

在本章中，我们将依次讨论这些问题，并提出解决问题的技巧。 我们将从解释梯度消失问题开始，并探讨解决这个问题的一些最流行的解决方案。 接下来我们将看看各种优化器，与普通梯度下降相比，它们可以加速大型模型的训练。 最后，我们将浏览一些流行的大型神经网络正则化技术。

使用这些工具，你将能够训练非常深的网络：欢迎来到深度学习的世界！

梯度消失/爆炸问题

正如我们在第 10 章中所讨论的那样，反向传播算法的工作原理是从输出层到输入层，传播误差的梯度。 一旦该算法已经计算了网络中每个参数的损失函数的梯度，它就使用这些梯度来用梯度下降步骤来更新每个参数。

不幸的是，梯度往往变得越来越小，随着算法进展到较低层。 结果，梯度下降更新使得低层连接权重实际上保持不变，并且训练永远不会收敛到良好的解决方案。 这被称为梯度消失问题。 在某些情况下，可能会发生相反的情况：梯度可能变得越来越大，许多层得到了非常大的权重更新，算法发散。这是梯度爆炸的问题，在循环神经网络中最为常见（见第 14 章）。 更一般地说，深度神经网络受梯度不稳定之苦; 不同的层次可能以非常不同的速度学习。

虽然这种不幸的行为已经经过了相当长的一段时间的实验观察（这是造成深度神经网络大部分时间都被抛弃的原因之一），但直到 2010 年左右，人们才有了明显的进步。 Xavier Glorot 和 Yoshua Bengio 发表的题为《Understanding the Difficulty of Training Deep Feedforward Neural Networks》的论文发现了一些疑问，包括流行的 sigmoid 激活函数和当时最受欢迎的权重初始化技术的组合，即随机初始化时使用平均值为 0，标准差为 1 的正态分布。简而言之，他们表明，用这个激活函数和这个初始化方案，每层输出的方差远大于其输入的方差。网络正向，每层的方差持续增加，直到激活函数在顶层饱和。这实际上是因为logistic函数的平均值为 0.5 而不是 0（双曲正切函数的平均值为 0，表现略好于深层网络中的logistic函数）

看一下logistic 激活函数（参见图 11-1），可以看到当输入变大（负或正）时，函数饱和在 0 或 1，导数非常接近 0。因此，当反向传播开始时， 它几乎没有梯度通过网络传播回来，而且由于反向传播通过顶层向下传递，所以存在的小梯度不断地被稀释，因此较低层确实没有任何东西可用。

Glorot 和 Bengio 在他们的论文中提出了一种显著缓解这个问题的方法。 我们需要信号在两个方向上正确地流动：在进行预测时是正向的，在反向传播梯度时是反向的。 我们不希望信号消失，也不希望它爆炸并饱和。 为了使信号正确流动，作者认为，我们需要每层输出的方差等于其输入的方差。（这里有一个比喻：如果将麦克风放大器的旋钮设置得太接近于零，人们听不到声音，但是如果将麦克风放大器设置得太大，声音就会饱和，人们就会听不懂你在说什么。 现在想象一下这样一个放大器的链条：它们都需要正确设置，以便在链条的末端响亮而清晰地发出声音。 你的声音必须以每个放大器的振幅相同的幅度出来。）而且我们也需要梯度在相反方向上流过一层之前和之后有相同的方差（如果您对数学细节感兴趣，请查阅论文）。实际上不可能保证两者都是一样的，除非这个层具有相同数量的输入和输出连接，但是他们提出了一个很好的折衷办法，在实践中证明这个折中办法非常好：随机初始化连接权重必须如公式 11-1 所描述的那样。其中n_inputs和n_outputs是权重正在被初始化的层（也称为扇入和扇出）的输入和输出连接的数量。 这种初始化策略通常被称为Xavier初始化（在作者的名字之后），或者有时是 Glorot 初始化。

当输入连接的数量大致等于输出连接的数量时，可以得到更简单的等式 

 我们在第 10 章中使用了这个简化的策略

使用 Xavier 初始化策略可以大大加快训练速度，这是导致深度学习目前取得成功的技巧之一。 最近的一些论文针对不同的激活函数提供了类似的策略，如表 11-1 所示。 ReLU 激活函数（及其变体，包括简称 ELU 激活）的初始化策略有时称为 He 初始化（在其作者的姓氏之后）。

默认情况下，fully_connected()函数（在第 10 章中介绍）使用 Xavier 初始化（具有统一的分布）。 你可以通过使用如下所示的variance_scaling_initializer()函数来将其更改为 He 初始化：

注意：本书使用tensorflow.contrib.layers.fully_connected()而不是tf.layers.dense()（本章编写时不存在）。 现在最好使用tf.layers.dense()，因为contrib模块中的任何内容可能会更改或删除，恕不另行通知。 dense()函数几乎与fully_connected()函数完全相同。 与本章有关的主要差异是：

几个参数被重新命名：范围变成名字，activation_fn变成激活（类似地，_fn后缀从诸如normalizer_fn之类的其他参数中移除），weights_initializer变成kernel_initializer等等。默认激活现在是None，而不是tf.nn.relu。 它不支持tensorflow.contrib.framework.arg_scope()（稍后在第 11 章中介绍）。 它不支持正则化的参数（稍后在第 11 章介绍）。

he_init = tf.contrib.layers.variance_scaling_initializer()
hidden1 = tf.layers.dense(X, n_hidden1, activation=tf.nn.relu,
                          kernel_initializer=he_init, name="hidden1")

He 初始化只考虑了扇入，而不是像 Xavier 初始化那样扇入和扇出之间的平均值。 这也是variance_scaling_initializer()函数的默认值，但您可以通过设置参数mode ="FAN_AVG"来更改它。

非饱和激活函数

Glorot 和 Bengio 在 2010 年的论文中的一个见解是，消失/爆炸的梯度问题部分是由于激活函数的选择不好造成的。 在那之前，大多数人都认为，如果大自然选择在生物神经元中使用 sigmoid 激活函数，它们必定是一个很好的选择。 但事实证明，其他激活函数在深度神经网络中表现得更好，特别是 ReLU 激活函数，主要是因为它对正值不会饱和（也因为它的计算速度很快）。

不幸的是，ReLU激活功能并不完美。 它有一个被称为 “ReLU 死区” 的问题：在训练过程中，一些神经元有效地死亡，意味着它们停止输出 0 以外的任何东西。在某些情况下，你可能会发现你网络的一半神经元已经死亡，特别是如果你使用大学习率。 在训练期间，如果神经元的权重得到更新，使得神经元输入的加权和为负，则它将开始输出 0 。当这种情况发生时，由于当输入为负时，ReLU函数的梯度为0，神经元不可能恢复生机。

为了解决这个问题，你可能需要使用 ReLU 函数的一个变体，比如 leaky ReLU。这个函数定义为LeakyReLUα(z)= max(αz，z)（见图 11-2）。超参数α定义了函数“leaks”的程度：它是z < 0时函数的斜率，通常设置为 0.01。这个小斜坡确保 leaky ReLU 永不死亡；他们可能会长期昏迷，但他们有机会最终醒来。最近的一篇论文比较了几种 ReLU 激活功能的变体，其中一个结论是 leaky Relu 总是优于严格的 ReLU 激活函数。事实上，设定α= 0.2（巨大 leak）似乎导致比α= 0.01（小 leak）更好的性能。他们还评估了随机化 leaky ReLU（RReLU），其中α在训练期间在给定范围内随机挑选，并在测试期间固定为平均值。它表现相当好，似乎是一个正则项（减少训练集的过拟合风险）。最后，他们还评估了参数 leaky ReLU（PReLU），其中α被授权在训练期间被学习（而不是超参数，它变成可以像任何其他参数一样被反向传播修改的参数）。据报道这在大型图像数据集上的表现强于 ReLU，但是对于较小的数据集，其具有过度拟合训练集的风险。

最后，Djork-Arné Clevert 等人在 2015 年的一篇论文中提出了一种称为指数线性单元（exponential linear unit，ELU）的新的激活函数，在他们的实验中表现优于所有的 ReLU 变体：训练时间减少，神经网络在测试集上表现的更好。 如图 11-3 所示，公式 11-2 给出了它的定义。

它看起来很像 ReLU 函数，但有一些区别，主要区别在于：

首先它在

其次，它对

第三，函数在任何地方都是平滑的，包括

ELU 激活函数的主要缺点是计算速度慢于 ReLU 及其变体（由于使用指数函数），但是在训练过程中，这是通过更快的收敛速度来补偿的。 然而，在测试时间，ELU 网络将比 ReLU 网络慢。

那么你应该使用哪个激活函数来处理深层神经网络的隐藏层？ 虽然你的里程会有所不同，一般 ELU > leaky ReLU（及其变体）> ReLU > tanh > sigmoid。 如果您关心运行时性能，那么您可能喜欢 leaky ReLU超过ELU。 如果你不想调整另一个超参数，你可以使用前面提到的默认的α值（leaky ReLU 为 0.01，ELU 为 1）。 如果您有充足的时间和计算能力，您可以使用交叉验证来评估其他激活函数，特别是如果您的神经网络过拟合，则为RReLU; 如果您拥有庞大的训练数据集，则为 PReLU。

TensorFlow 提供了一个可以用来建立神经网络的elu()函数。 调用fully_connected()函数时，只需设置activation_fn参数即可：

hidden1 = tf.layers.dense(X, n_hidden1, activation=tf.nn.elu, name="hidden1")

TensorFlow 没有针对 leaky ReLU 的预定义函数，但是很容易定义：

def leaky_relu(z, name=None):
    return tf.maximum(0.01 * z, z, name=name)

hidden1 = tf.layers.dense(X, n_hidden1, activation=leaky_relu, name="hidden1")

批量标准化

尽管使用 He初始化和 ELU（或任何 ReLU 变体）可以显著减少训练开始阶段的梯度消失/爆炸问题，但不保证在训练期间问题不会回来。

在 2015 年的一篇论文中，Sergey Ioffe 和 Christian Szegedy 提出了一种称为批量标准化（Batch Normalization，BN）的技术来解决梯度消失/爆炸问题，每层输入的分布在训练期间改变的问题，更普遍的问题是当前一层的参数改变，每层输入的分布会在训练过程中发生变化（他们称之为内部协变量偏移问题）。

该技术包括在每层的激活函数之前在模型中添加操作，简单地对输入进行zero-centering和规范化，然后每层使用两个新参数（一个用于尺度变换，另一个用于偏移）对结果进行尺度变换和偏移。 换句话说，这个操作可以让模型学习到每层输入值的最佳尺度,均值。为了对输入进行归零和归一化，算法需要估计输入的均值和标准差。 它通过评估当前小批量输入的均值和标准差（因此命名为“批量标准化”）来实现。 整个操作在方程 11-3 中。

在测试时，没有小批量计算经验均值和标准差，所以您只需使用整个训练集的均值和标准差。 这些通常在训练期间使用移动平均值进行有效计算。 因此，总的来说，每个批次标准化的层次都学习了四个参数：γ（标度），β（偏移），μ（平均值）和σ（标准差）。

作者证明，这项技术大大改善了他们试验的所有深度神经网络。梯度消失问题大大减少了，他们可以使用饱和激活函数，如 tanh 甚至 sigmoid 激活函数。网络对权重初始化也不那么敏感。他们能够使用更大的学习率，显著加快了学习过程。具体地，他们指出，“应用于最先进的图像分类模型，批标准化用少了 14 倍的训练步骤实现了相同的精度，以显著的优势击败了原始模型。[...] 使用批量标准化的网络集合，我们改进了 ImageNet 分类上的最佳公布结果：达到4.9% 的前5个验证错误（和 4.8% 的测试错误），超出了人类评估者的准确性。批量标准化也像一个正则化项一样，减少了对其他正则化技术的需求（如本章稍后描述的 dropout）.

然而，批量标准化的确会增加模型的复杂性（尽管它不需要对输入数据进行标准化，因为第一个隐藏层会照顾到这一点，只要它是批量标准化的）。 此外，还存在运行时间的损失：由于每层所需的额外计算，神经网络的预测速度较慢。 所以，如果你需要预测闪电般快速，你可能想要检查普通ELU + He初始化执行之前如何执行批量标准化。

您可能会发现，训练起初相当缓慢，而渐变下降正在寻找每层的最佳尺度和偏移量，但一旦找到合理的好值，它就会加速。

使用 TensorFlow 实现批量标准化

TensorFlow 提供了一个batch_normalization()函数，它简单地对输入进行居中和标准化，但是您必须自己计算平均值和标准差（基于训练期间的小批量数据或测试过程中的完整数据集） 作为这个函数的参数，并且还必须处理缩放和偏移量参数的创建（并将它们传递给此函数）。 这是可行的，但不是最方便的方法。 相反，你应该使用batch_norm()函数，它为你处理所有这些。 您可以直接调用它，或者告诉fully_connected()函数使用它，如下面的代码所示：

注意：本书使用tensorflow.contrib.layers.batch_norm()而不是tf.layers.batch_normalization()（本章写作时不存在）。 现在最好使用tf.layers.batch_normalization()，因为contrib模块中的任何内容都可能会改变或被删除，恕不另行通知。 我们现在不使用batch_norm()函数作为fully_connected()函数的正则化参数，而是使用batch_normalization()，并明确地创建一个不同的层。 参数有些不同，特别是：

decay

is_training

updates_collections

我们不需要指定

还要注意，为了在每个隐藏层激活函数之前运行批量标准化，我们手动应用 RELU 激活函数，在批量规范层之后。注意：由于tf.layers.dense()函数与本书中使用的tf.contrib.layers.arg_scope()不兼容，我们现在使用 python 的functools.partial()函数。 它可以很容易地创建一个my_dense_layer()函数，只需调用tf.layers.dense()，并自动设置所需的参数（除非在调用my_dense_layer()时覆盖它们）。 如您所见，代码保持非常相似。

import tensorflow as tf

n_inputs = 28 * 28
n_hidden1 = 300
n_hidden2 = 100
n_outputs = 10

X = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, n_inputs), name="X")

training = tf.placeholder_with_default(False, shape=(), name='training')

hidden1 = tf.layers.dense(X, n_hidden1, name="hidden1")
bn1 = tf.layers.batch_normalization(hidden1, training=training, momentum=0.9)
bn1_act = tf.nn.elu(bn1)

hidden2 = tf.layers.dense(bn1_act, n_hidden2, name="hidden2")
bn2 = tf.layers.batch_normalization(hidden2, training=training, momentum=0.9)
bn2_act = tf.nn.elu(bn2)

logits_before_bn = tf.layers.dense(bn2_act, n_outputs, name="outputs")
logits = tf.layers.batch_normalization(logits_before_bn, training=training,
                                       momentum=0.9)

X = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, n_inputs), name="X")
training = tf.placeholder_with_default(False, shape=(), name='training')

为了避免一遍又一遍重复相同的参数，我们可以使用 Python 的partial()函数：

from functools import partial

my_batch_norm_layer = partial(tf.layers.batch_normalization,
                              training=training, momentum=0.9)

hidden1 = tf.layers.dense(X, n_hidden1, name="hidden1")
bn1 = my_batch_norm_layer(hidden1)
bn1_act = tf.nn.elu(bn1)
hidden2 = tf.layers.dense(bn1_act, n_hidden2, name="hidden2")
bn2 = my_batch_norm_layer(hidden2)
bn2_act = tf.nn.elu(bn2)
logits_before_bn = tf.layers.dense(bn2_act, n_outputs, name="outputs")
logits = my_batch_norm_layer(logits_before_bn)

完整代码

from functools import partial
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
import tensorflow as tf

if __name__ == '__main__':
    n_inputs = 28 * 28
    n_hidden1 = 300
    n_hidden2 = 100
    n_outputs = 10

    mnist = input_data.read_data_sets("/tmp/data/")

    batch_norm_momentum = 0.9
    learning_rate = 0.01

    X = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, n_inputs), name = 'X')
    y = tf.placeholder(tf.int64, shape=None, name = 'y')
    training = tf.placeholder_with_default(False, shape=(), name = 'training')#给Batch norm加一个placeholder

    with tf.name_scope("dnn"):
        he_init = tf.contrib.layers.variance_scaling_initializer()
        #对权重的初始化

        my_batch_norm_layer = partial(
            tf.layers.batch_normalization,
            training = training,
            momentum = batch_norm_momentum
        )

        my_dense_layer = partial(
            tf.layers.dense,
            kernel_initializer = he_init
        )

        hidden1 = my_dense_layer(X ,n_hidden1 ,name = 'hidden1')
        bn1 = tf.nn.elu(my_batch_norm_layer(hidden1))
        hidden2 = my_dense_layer(bn1, n_hidden2, name = 'hidden2')
        bn2 = tf.nn.elu(my_batch_norm_layer(hidden2))
        logists_before_bn = my_dense_layer(bn2, n_outputs, name = 'outputs')
        logists = my_batch_norm_layer(logists_before_bn)

    with tf.name_scope('loss'):
        xentropy = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(labels = y, logits= logists)
        loss = tf.reduce_mean(xentropy, name = 'loss')

    with tf.name_scope('train'):
        optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate)
        training_op = optimizer.minimize(loss)

    with tf.name_scope("eval"):
        correct = tf.nn.in_top_k(logists, y, 1)
        accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct, tf.float32))

    init = tf.global_variables_initializer()
    saver = tf.train.Saver()

    n_epoches = 20
    batch_size = 200
# 注意：由于我们使用的是 tf.layers.batch_normalization() 而不是 tf.contrib.layers.batch_norm()（如本书所述），
# 所以我们需要明确运行批量规范化所需的额外更新操作（sess.run([ training_op，extra_update_ops], ...)。
    extra_update_ops = tf.get_collection(tf.GraphKeys.UPDATE_OPS)

    with tf.Session() as sess:
        init.run()
        for epoch in range(n_epoches):
            for iteraton in range(mnist.train.num_examples//batch_size):
                X_batch, y_batch = mnist.train.next_batch(batch_size)
                sess.run([training_op,extra_update_ops],
                         feed_dict={training:True, X:X_batch, y:y_batch})
            accuracy_val = accuracy.eval(feed_dict= {X:mnist.test.images,
                                                    y:mnist.test.labels})
            print(epoch, 'Test accuracy:', accuracy_val)

什么！？ 这对 MNIST 来说不是一个很好的准确性。 当然，如果你训练的时间越长，准确性就越好，但是由于这样一个浅的网络，批量范数和 ELU 不太可能产生非常积极的影响：它们大部分都是为了更深的网络而发光。请注意，您还可以训练操作取决于更新操作：

with tf.name_scope("train"):
    optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate)
    extra_update_ops = tf.get_collection(tf.GraphKeys.UPDATE_OPS)
    with tf.control_dependencies(extra_update_ops):
        training_op = optimizer.minimize(loss)

这样，你只需要在训练过程中评估training_op，TensorFlow也会自动运行更新操作：

sess.run(training_op, feed_dict={training: True, X: X_batch, y: y_batch})

原文发布时间为：2018-06-23

本文作者：ApacheCN【翻译】

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