深度学习笔记（九）：正则化问题总结

青旅半醒 2022-08-29 12:56 229阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  一、正则化的作用
     *  二、如何判断过拟合 or 欠拟合
     *  三、常见正则化方法
     *   *  （1）L0正则化
         *  （2）L1正则化
         *  （3）L2正则化
         *  （4）其他方法
     *  四、正则化原理
     *  五、Dropout正则化
     *   *  （1）Dropout
         *  （2）Drop Connect
     *  六、Dropout工作流程
     *  七、为什么说Dropout可以解决过拟合？

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**理论系列：**

[深度学习笔记（一）：卷积层+激活函数+池化层+全连接层][Link 1]

[深度学习笔记（二）：激活函数的前世今生][Link 2]

[深度学习笔记（三）：BatchNorm（BN）层][BatchNorm_BN]

[深度学习笔记（四）：梯度下降法与局部最优解][Link 3]

[深度学习笔记（五）：欠拟合、过拟合][Link 4]

[防止过拟合（5 - 1）：正则化][5 - 1]

[防止过拟合（5 - 2）：Dropout][5 - 2_Dropout]

[防止过拟合（5 - 3）：数据增强][5 - 3]

[深度学习笔记（六）：激活函数常见问题总结][Link 5]

[深度学习笔记（七）：Batch size 问题总结][Batch size]

[深度学习笔记（八）：归一化问题总结][Link 6]

**实战系列：**

[《TensorFlow2 入门指南》专栏][TensorFlow2]

[《CV实战项目：图像分类+目标检测+语义分割》专栏][CV]

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## 一、正则化的作用 ##

如下图（左）所示：当网络欠拟合时，说明网络存在着**高偏差**问题。如下图（右）所示：当网络过拟合时，说明存在着**高方差**问题。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
如果你怀疑神经网络过度拟合了数据，即存在**高方差**问题，那么最先想到的方法可能是正则化，**正则化能够有效降低方差，同时不影响偏差**。另一个解决高方差的方法就是准备更多数据。但是你可能无法时时准备足够多的训练数据，或者，获取更多数据的成本很高。那么，正则化方法是你最好的选择，它能在不增加任何数据的情况下，**有助于避免过度拟合，提升网络性能**。

## 二、如何判断过拟合 or 欠拟合 ##

如下图所示，是吴恩达课程中给出的一个猫狗图像分类的例子，我们通过在训练集和验证集上的准确率，来判断网络存在高方差或者高偏差问题，从而进一步判断模型过拟合 or 欠拟合。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
假设训练集和验证集标签误差为0%-1%，且数据来自于相同分布。其训练集和验证集上的测试准确度如上图所示，一共有四组不同的数据。可以得出如下结论：

*  训练集分类误差1%，验证集分类误差11%：高方差问题，即存在过拟合；
 *  训练集分类误差15%，验证集分类误差16%：高偏差问题，即存在欠拟合；
 *  训练集分类误差15%，验证集分类误差30%：高方差、高偏差问题；
 *  训练集分类误差0.5%，验证集分类误差1%：低方差、低偏差问题；

在训练集和验证集标签误差接近0，且数据集来源同一分布的前提下，针对以上问题，我们一般先看训练集，再同时看训练集和验证集的测试误差，来判断有无高方差、高偏差问题。

注意：对于一些标签误差比较大的数据集，包含噪声图像的数据集，或者训练集与验证集不是同一分布，则以上归纳不适用。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

*  在假设前提下，如果训练集上的测试误差过高，则存在高偏差，这时候最应该采取的方式是：**选择更大、更深的网络，或者其他更合适的网络。**
 *  如果在训练集上的测试误差很低，但是在验证集上的误差较高时，这是高方差问题，即过拟合现象，这时候应该采取的最佳措施依次是：**数据增广、正则化、其他更合适的神经网络。**

## 三、常见正则化方法 ##

正则化是通过在损失函数上添加额外的正则项（模型复杂度惩罚项），来**限制网络模型的复杂度**，以此**约束网络的实际容量**，从而**防止模型出现过拟合**。

因此，在原损失函数上增加正则化项后，我们的目标损失函数就变为：  
![在这里插入图片描述][20200313232417439.PNG]  
式子中的第一项为原始的损失函数，第二项是正则项， λ \\lambda λ 是正则化系数。

### （1）L0正则化 ###

L0 正则化是指采用 **L0 范数**作为模型复杂度惩罚项  Ω ( θ ) \\Omega(\\theta) Ω(θ) 的正则化方式，即  
![在这里插入图片描述][20200314004106556.PNG]  
其中，L0范数定义为： **θ i \\theta\_i θi中非零元素的个数**。通过约束  Ω ( θ ) \\Omega(\\theta) Ω(θ) 的大小，可以迫使网络中的连接权值大部分为0。但是由于**L0 范数并不可导，不能利用梯度下降法进行优化，所以在神经网络中的使用并不多**。

### （2）L1正则化 ###

采用 **L1 范数**作为稀疏性惩罚项  Ω ( θ ) \\Omega(\\theta) Ω(θ) 的正则化方式叫做 L1 正则化，即  
![在这里插入图片描述][20200314004633866.PNG]  
其中，L1 范数定义为： θ i \\theta\_i θi 中所有元素的**绝对值之和**。L1 正则化也叫 Lasso Regularization，它是**连续可导**的，在神经网络中**使用广泛**。

### （3）L2正则化 ###

采用 **L2 范数**作为稀疏性惩罚项  Ω ( θ ) \\Omega(\\theta) Ω(θ) 的正则化方式叫做 L2 正则化，即  
![在这里插入图片描述][20200314004935846.PNG]  
其中 L2 范数定义为： θ i \\theta\_i θi 中所有元素的**平方和**。L2 正则化也叫 Ridge Regularization，它和 L1 正则化一样，也是**连续可导**的，在神经网络中**使用更广泛**。

### （4）其他方法 ###

除了 L1、L2 正则化以外，还有一些解决过拟合的方法，比如：最大范数约束正则化、数据增强、更改网络结构、Early Stopping、Dropout正则化等等。

## 四、正则化原理 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

以逻辑回归问题为例，使用L2正则化时，需要在损失函数上加入相应的正则化项。值得注意的是：正则化项只是针对参数W，而没有b。这是为什么呢？

原因是：W是高维参数，可以反映方差。而b只是一个标量，是众多参数中的一个，所以加入原损失函数作用不大。

还有一个是L1正则化，它的结果是使模型的参数更多趋向0，从而使得网络变得更加稀疏。但这并不是典型的模型压缩方法，原因是参数所占内存并没有减少多少。所以现在，大家更倾向使用L2正则化。

λ \\lambda λ是正则化系数，实际训练时，一般先尝试较小的正则化系数  λ \\lambda λ，观测网络是否出现过拟合现象。然后尝试逐渐增大  λ \\lambda λ 参数来增加网络参数稀疏性，提高泛化能力。但是，过大的  λ \\lambda λ 参数会使得W变得很小，此时网络接近成为一个比较深的线性回归，而不是一个复杂的非线性回归网络。

## 五、Dropout正则化 ##

### （1）Dropout ###

Dropout通过随机断开神经网络之间的连接，减少每次训练时实际参与计算的模型的参数量，从而减少了模型的实际容量，来防止过拟合。如下图所示，虚线表示按照概率随机断开神经网络的连接线：  
![在这里插入图片描述][20200314122150631.PNG_pic_center]  
具体来讲：对于某层的每个神经元，**在训练阶段**会以一定的概率 p 随机将该神经元重置为0（即断开这些连接）；**在测试阶段**，所有的神经元都将被激活（恢复连接），但是其权重要乘以 (1-p)，以保证训练和测试阶段各自的权重拥有相同的期望。

### （2）Drop Connect ###

Drop Connect 改变了在 Dropout 中对每个层随机选择激活函数的设置为0的做法，**将网络架构权重的一个随机子集设置为0**。所以，Drop Connect 和 Dropout 的不同之处在于，它引入的是**权重的稀疏性，而不是层的输出向量的稀疏性。**

## 六、Dropout工作流程 ##

假设网络输入是x，输出是y。正常的训练流程是：将x通过网络前向传播，然后通过误差反向传播，更新参数让网络进行学习。使用Dropout之后，流程变成：

*  在前向传播的时候，会让某些隐藏层神经元的激活值以一定的概率 p 停止工作；
 *  输入x通过随机断开后的网络进行前向传播，然后通过随机断开后的网络反向传播；
 *  当按照上述方式训练一小批样本后，在恢复连接的神经元上按照SGD更新对应的参数（w, b）；
 *  继续重复以上的过程，知道网络模型达到一定的要求。

## 七、为什么说Dropout可以解决过拟合？ ##

**（1）减少神经元之间复杂的共适应关系**。 因为dropout会导致两个神经元不一定每次都在一个dropout网络中出现。这样权值的更新不再依赖于有固定关系的隐含节点的共同作用，阻止了某些特征仅仅在其它特定特征下才有效果的情况 ，迫使网络去学习更加鲁棒的特征。

**（2）取平均的作用**。先回到标准的模型即没有dropout，我们用相同的训练数据去训练5个不同的神经网络，一般会得到5个不同的结果，此时我们可以采用 “5个结果取均值”或者“多数取胜的投票策略”去决定最终结果。例如3个网络判断结果为数字9,那么很有可能真正的结果就是数字9，其它两个网络给出了错误结果。这种“综合起来取平均”的策略通常可以有效防止过拟合问题。因为不同的网络可能产生不同的过拟合，取平均则有可能让一些“相反的”拟合互相抵消。dropout掉不同的隐藏神经元就类似在训练不同的网络，随机删掉一半隐藏神经元导致网络结构已经不同，整个dropout过程就相当于对很多个不同的神经网络取平均。而不同的网络产生不同的过拟合，一些互为“反向”的拟合相互抵消就可以达到整体上减少过拟合。

（3）**类似于性别在生物进化中的角色**。 物种为了生存往往会倾向于适应这种环境，环境突变则会导致物种难以做出及时反应，性别的出现可以繁衍出适应新环境的变种，有效的阻止过拟合，即避免环境改变时物种可能面临的灭绝。

[Link 1]: https://ai-wx.blog.csdn.net/article/details/105016766
[Link 2]: https://blog.csdn.net/wjinjie/article/details/104729911
[BatchNorm_BN]: https://blog.csdn.net/wjinjie/article/details/105028870
[Link 3]: https://blog.csdn.net/wjinjie/article/details/104763111
[Link 4]: https://blog.csdn.net/wjinjie/article/details/104849774
[5 - 1]: https://blog.csdn.net/wjinjie/article/details/104851821
[5 - 2_Dropout]: https://blog.csdn.net/wjinjie/article/details/104857877
[5 - 3]: https://blog.csdn.net/wjinjie/article/details/104860314
[Link 5]: https://ai-wx.blog.csdn.net/article/details/118914829
[Batch size]: https://ai-wx.blog.csdn.net/article/details/118946126
[Link 6]: https://ai-wx.blog.csdn.net/article/details/118949226
[TensorFlow2]: https://blog.csdn.net/wjinjie/category_9955855.html
[CV]: https://blog.csdn.net/wjinjie/category_9777286.html
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