深度学习的学习率调节实践

作者|Luke Newman
编译|VK
来源|Towards Data Science

多层感知器

多层感知器（MLP）是由一个输入层、一个或多个隐藏层和一个称为输出层的最终层组成的人工神经网络（ANN）。通常，靠近输入层的层称为较低层，靠近输出层的层称为外层。除输出层外的每一层都包含一个偏置神经元，并与下一层完全相连。

当一个ANN包含一个很深的隐藏层时，它被称为深度神经网络（DNN）。

在这项调查中，我们将在MNIST时尚数据集上训练一个深度MLP，并通过指数增长来寻找最佳学习率，绘制损失图，并找到损失增长的点，以达到85%以上的准确率。对于最佳实践，我们将实现早期停止，保存检查点，并使用TensorBoard绘制学习曲线。

你可以在这里查看jupyter Notebook:https://github.com/lukenew2/learning_rates_and_best_practices/blob/master/optimal_learning_rates_with_keras_api.ipynb

指数学习率

学习率可以说是最重要的超参数。一般情况下，最佳学习速率约为最大学习速率（即训练算法偏离的学习速率）的一半。找到一个好的学习率的一个方法是训练模型进行几百次迭代，从非常低的学习率（例如，1e-5）开始，逐渐增加到非常大的值（例如，10）。

这是通过在每次迭代时将学习速率乘以一个常数因子来实现的。如果你将损失描绘为学习率的函数，你应该首先看到它在下降。但过一段时间后，学习率会太高，因此损失会迅速回升：最佳学习率将略低于转折点。然后，你可以重新初始化你的模型，并使用此良好的学习率对其进行正常训练。

Keras模型

我们先导入相关库

import os
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import pandas as pd

PROJECT_ROOT_DIR = "."
IMAGES_PATH = os.path.join(PROJECT_ROOT_DIR, "images")
os.makedirs(IMAGES_PATH, exist_ok=True)

def save_fig(fig_id, tight_layout=True, fig_extension="png", resolution=300):
    path = os.path.join(IMAGES_PATH, fig_id + "." + fig_extension)
    print("Saving figure", fig_id)
    if tight_layout:
        plt.tight_layout()
    plt.savefig(path, format=fig_extension, dpi=resolution)

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras

接下来加载数据集

(X_train, y_train), (X_test, y_test) = keras.datasets.fashion_mnist.load_data()

X_train.shape

X_train.dtype

标准化像素

X_valid, X_train = X_train[:5000] / 255.0, X_train[5000:] / 255.0
y_valid, y_train = y_train[:5000], y_train[5000:] 
X_test = X_test / 255.0

让我们快速看一下数据集中的图像样本，让我们感受一下分类任务的复杂性：

class_names = ["T-shirt/top", "Trouser", "Pullover", "Dress", "Coat",
               "Sandal", "Shirt", "Sneaker", "Bag", "Ankle boot"]

n_rows = 4
n_cols = 10
plt.figure(figsize=(n_cols * 1.2, n_rows * 1.2))
for row in range(n_rows):
    for col in range(n_cols):
        index = n_cols * row + col
        plt.subplot(n_rows, n_cols, index + 1)
        plt.imshow(X_train[index], cmap="binary", interpolation="nearest")
        plt.axis('off')
        plt.title(class_names[y_train[index]], fontsize=12)
plt.subplots_adjust(wspace=0.2, hspace=0.5)
save_fig('fashion_mnist_plot', tight_layout=False)
plt.show()

我们已经准备好用Keras来建立我们的MLP。下面是一个具有两个隐藏层的分类MLP：

model = keras.models.Sequential([
    keras.layers.Flatten(input_shape=[28,28]),
    keras.layers.Dense(300, activation="relu"),
    keras.layers.Dense(100, activation="relu"),
    keras.layers.Dense(10, activation="softmax")
])

让我们一行一行地看这个代码：

• 首先，我们创建了一个Sequential模型，它是神经网络中最简单的Keras模型，它只由一堆按顺序连接的层组成。

• 接下来，我们构建第一层并将其添加到模型中。它是一个Flatten层，其目的是将每个输入图像转换成一个1D数组：如果它接收到输入数据X，则计算X.reshape（-1，1）。因为它是模型的第一层，所以应该指定输入形状。或者，你可以添加keras.layers.InputLayer作为第一层，设置其input_shape=[28,28]

• 下一步，我们添加一个300个神经元的隐藏层，并指定它使用ReLU激活函数。每一个全连接层管理自己的权重矩阵，包含神经元与其输入之间的所有连接权重。它还管理一个偏置向量，每个神经元一个。

• 然后我们添加了第二个100个神经元的隐藏层，同样使用ReLU激活函数。

• 最后，我们使用softmax激活函数添加了一个包含10个神经元的输出层（因为我们执行的分类是每个类都是互斥的）。

使用回调

在Keras中，fit()方法接受一个回调参数，该参数允许你指定Keras将在训练开始和结束、每个epoch的开始和结束时，甚至在处理每个batch处理之前和之后要调用对象的列表。

为了实现指数级增长的学习率，我们需要创建自己的自定义回调。我们的回调接受一个参数，用于提高学习率的因子。为了将损失描绘成学习率的函数，我们跟踪每个batch的速率和损失。

请注意，我们将函数定义为on_batch_end()，这取决于我们的目标。当然也可以是on_train_begin(), on_train_end(), on_batch_begin()。对于我们的用例，我们希望在每个批处理之后提高学习率并记录损失：

K = keras.backend

class ExponentialLearningRate(keras.callbacks.Callback):
    def __init__(self, factor):
        self.factor = factor
        self.rates = []
        self.losses = []
    def on_batch_end(self, batch, logs):
        self.rates.append(K.get_value(self.model.optimizer.lr))
        self.losses.append(logs["loss"])
        K.set_value(self.model.optimizer.lr, self.model.optimizer.lr * self.factor)

现在我们的模型已经创建好了，我们只需调用它的compile()方法来指定要使用的loss函数和优化器。或者，你可以指定要在训练和评估期间计算的额外指标列表。

首先，我们使用“稀疏的分类交叉熵”损失，因为我们有稀疏的标签（也就是说，对于每个实例，只有一个目标类索引，在我们的例子中，从0到9），并且这些类是互斥的）。接下来，我们指定使用随机梯度下降，并将学习速率初始化为1e-3，并在每次迭代中增加0.5%：

model.compile(loss="sparse_categorical_crossentropy",
              optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=1e-3),
              metrics=["accuracy"])
expon_lr = ExponentialLearningRate(factor=1.005)

现在让我们只在一个epoch训练模型：

history = model.fit(X_train, y_train, epochs=1,
                    validation_data=(X_valid, y_valid),
                    callbacks=[expon_lr])

我们现在可以将损失绘制为学习率的函数：

plt.plot(expon_lr.rates, expon_lr.losses)
plt.gca().set_xscale('log')
plt.hlines(min(expon_lr.losses), min(expon_lr.rates), max(expon_lr.rates))
plt.axis([min(expon_lr.rates), max(expon_lr.rates), 0, expon_lr.losses[0]])
plt.xlabel("Learning rate")
plt.ylabel("Loss")
save_fig("learning_rate_vs_loss")

正如我们所期望的，随着学习率的提高，最初的损失逐渐减少。但过了一段时间，学习率太大，导致损失反弹：最佳学习率将略低于损失开始攀升的点（通常比转折点低10倍左右）。我们现在可以重新初始化我们的模型，并使用良好的学习率对其进行正常训练。

还有更多的学习率技巧，包括创建学习进度表，我希望在以后的调查中介绍，但对如何手动选择好的学习率有一个直观的理解同样重要。

我们的损失在3e-1左右开始反弹，所以让我们尝试使用2e-1作为我们的学习率：

keras.backend.clear_session()
np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

model = keras.models.Sequential([
    keras.layers.Flatten(input_shape=[28, 28]),
    keras.layers.Dense(300, activation="relu"),
    keras.layers.Dense(100, activation="relu"),
    keras.layers.Dense(10, activation="softmax")
])

model.compile(loss="sparse_categorical_crossentropy",
              optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=2e-1),
              metrics=["accuracy"])

使用TensorBoard进行可视化

TensorBoard是一个很好的交互式可视化工具，你可以使用它查看训练期间的学习曲线、比较学习曲线、可视化计算图、分析训练统计数据、查看模型生成的图像，可视化复杂的多维数据投影到三维和自动聚类，等等！这个工具是在安装TensorFlow时自动安装的，所以你应该已经安装了。

让我们首先定义将用于TensorBoard日志的根日志目录，再加上一个小函数，该函数将根据当前时间生成一个子目录路径，以便每次运行时它都是不同的。你可能需要在日志目录名称中包含额外的信息，例如正在测试的超参数值，以便更容易地了解你在TensorBoard中查看的内容：

root_logdir = os.path.join(os.curdir, "my_logs")

def get_run_logdir():
    import time
    run_id = time.strftime("run_%Y_%m_%d-%H_%M_%S")
    return os.path.join(root_logdir, run_id)

run_logdir = get_run_logdir() # 例如, './my_logs/run_2020_07_31-15_15_22'

Keras api提供了一个TensorBoard()回调函数。TensorBoard()回调函数负责创建日志目录,并在训练时创建事件文件和编写摘要(摘要是一种二进制数据记录用于创建可视化TensorBoard)。

每次运行有一个目录，每个目录包含一个子目录，分别用于训练日志和验证日志。两者都包含事件文件，但训练日志也包含分析跟踪：这使TensorBoard能够准确地显示模型在模型的每个部分（跨越所有设备）上花费了多少时间，这对于查找性能瓶颈非常有用。

early_stopping_cb = keras.callbacks.EarlyStopping(patience=20)
checkpoint_cb = keras.callbacks.ModelCheckpoint("my_fashion_mnist_model.h5", save_best_only=True)
tensorboard_cb = keras.callbacks.TensorBoard(run_logdir)

history = model.fit(X_train, y_train, epochs=100,
                    validation_data=(X_valid, y_valid),
                    callbacks=[early_stopping_cb, checkpoint_cb, tensorboard_cb])

接下来，我们需要启动TensorBoard服务器。我们可以通过运行以下命令在Jupyter中直接执行此操作。第一行加载TensorBoard扩展，第二行启动端口6004上的TensorBoard服务器，并连接到它：

%load_ext tensorboard 
%tensorboard — logdir=./my_logs — port=6004

现在你应该可以看到TensorBoard的web界面。单击“scaler”选项卡以查看学习曲线。在左下角，选择要可视化的日志（例如，第一次运行的训练日志），然后单击epoch_loss scaler。请注意，在我们的训练过程中，训练损失下降得很顺利。

你还可以可视化整个图形、学习的权重（投影到3D）或分析轨迹。TensorBoard()回调函数也有记录额外数据的选项，例如NLP数据集的嵌入。

这实际上是一个非常有用的可视化工具。

结论

在这里我们得到了88%的准确率，这是我们可以达到的最好的深度MLP。如果我们想进一步提高性能，我们可以尝试卷积神经网络（CNN），它对图像数据非常有效。

就我们的目的而言，这就足够了。我们学会了如何：

• 使用Keras的Sequential API构建深度mlp。

• 通过按指数增长学习率，绘制损失图，并找到损失重新出现的点，来找到最佳学习率。

• 构建深度学习模型时的最佳实践，包括使用回调和使用TensorBoard可视化学习曲线。

如果你想在这里看到演示幻灯片或jupyterNotebook中完整的代码和说明，请随时查看Github存储库：https://github.com/lukenew2/learning_rates_and_best_practices

额外的资源

https://www.tensorflow.org/tensorboard/get_started

https://towardsdatascience.com/learning-rate-schedules-and-adaptive-learning-rate-methods-for-deep-learning-2c8f433990d1

原文链接：https://towardsdatascience.com/learning-rates-and-best-practices-for-deep-learning-e77215a86178

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