pytorch常用的优化器

torch.optim 是 PyTorch 中用于优化模型参数的一个重要模块,它提供了多种优化算法的实现。下面是一些常用的优化器,包括它们的定义、原理、优缺点:

1. SGD (Stochastic Gradient Descent)

定义:SGD 是一种基本的优化算法,用于随机地优化目标函数。它通过计算梯度并更新参数来最小化损失函数。

原理:在每个训练步骤中,SGD 使用来自随机选择的小批量样本的梯度来更新模型参数。

class torch.optim.SGD(params, lr=<object object>, momentum=0, dampening=0, weight_decay=0, nesterov=False)

优点

  • 实现简单,计算效率高(特别是对于大规模数据集)。
  • 对于某些类型的损失函数(如凸损失函数),SGD 能够保证收敛到全局最小值。

缺点

  • 学习率的选择很关键,太小会导致收敛缓慢,太大则可能导致收敛到次优解或发散。
  • 可能会陷入局部最小值或鞍点。
  • 不考虑历史梯度信息,可能导致在最优解附近震荡。

2. Adam (Adaptive Moment Estimation)

定义:Adam 是一种基于梯度下降的优化算法,它结合了动量(Momentum)和RMSprop算法的思想。

原理:Adam 计算梯度的一阶矩估计(即均值)和二阶矩估计(即未中心化的方差),然后利用这些估计来调整每个参数的学习率。

class torch.optim.Adam(params, lr=0.001, betas=(0.9, 0.999), eps=1e-08, weight_decay=0, amsgrad=False)

优点

  • 自适应地调整学习率,对于不同的参数有不同的学习率。
  • 对超参数的选择相对不敏感(如学习率)。
  • 收敛速度快,效果好。

缺点

  • 可能因为更新步长过大而错过最优解。
  • 后期可能由于学习率过小而导致学习停滞。

3. RMSprop

定义:RMSprop 是一种自适应学习率方法,它通过调整每个参数的学习率来加速训练。

原理:RMSprop 对梯度进行平方的指数加权移动平均,并据此调整学习率。它试图解决 Adagrad 在学习率衰减过快的问题。

class torch.optim.RMSprop(params, lr=0.01, alpha=0.99, eps=1e-08, weight_decay=0, momentum=0, centered=False)

优点

  • 自适应地调整学习率,对于不同的参数有不同的学习率。
  • 在非凸优化问题中表现良好。

缺点

  • 与 Adam 类似,RMSprop 也可能由于学习率过小而导致学习停滞。

4. Momentum

定义:Momentum 是一种加速 SGD 的方法,它模拟了物理中的动量概念。

原理:Momentum 在更新参数时,不仅考虑当前的梯度,还考虑过去的梯度(即动量)。这有助于在相关方向上加速 SGD,并抑制震荡。

优点

  • 加速收敛,特别是在处理高曲率、小但一致的梯度时。
  • 减少震荡,使收敛更加稳定。

缺点

  • 仍然需要选择一个合适的学习率。
  • 动量参数(如 β)的选择对性能有影响。

5. Adagrad

定义:Adagrad 是一种自适应学习率算法,它为每个参数维护一个累积的梯度平方和。

原理:Adagrad 根据每个参数的累积梯度平方和来调整学习率,使得频繁更新的参数的学习率逐渐减小,而稀疏更新的参数的学习率相对较大。

class torch.optim.Adagrad(params, lr=0.01, lr_decay=0, weight_decay=0, initial_accumulator_value=0)

优点

  • 适用于处理稀疏梯度。
  • 不需要手动调整学习率。

缺点

  • 学习率会单调递减,导致后期学习率过小,可能使训练提前停止。
  • 对初始学习率的选择较为敏感。

6. Adadelta

定义
Adadelta是一种自适应学习率算法,它通过计算每个参数梯度的平方的指数移动平均来调整学习率。

原理
Adadelta避免了Adagrad学习率单调递减的问题,它通过维护一个窗口内的梯度平方和,并根据这个累积值来动态调整每个参数的学习率。

优缺点

  • 优点:与Adagrad相比,Adadelta的学习率不会单调递减,因此可以避免训练后期学习率过小的问题。同时,它不需要手动设置全局学习率。
  • 缺点:在某些情况下,Adadelta的性能可能不如Adam等更先进的优化器。

7. Adagrad

定义
Adagrad是一种为每一个参数保留一个学习率的优化算法,独立地适应模型参数,对频繁更新的参数执行较小的更新,对不频繁更新的参数执行较大的更新。

原理
Adagrad为每个参数维护一个累积的梯度平方和,并根据这个累积值来调整学习率。随着训练的进行,频繁更新的参数的学习率会逐渐减小,而稀疏更新的参数的学习率相对较大。

优缺点

  • 优点:适用于处理稀疏梯度的问题,并且不需要手动设置全局学习率。
  • 缺点:学习率会单调递减,这可能导致训练后期学习率过小,从而提前停止学习。此外,Adagrad对初始学习率的选择较为敏感。

8. Adamax

定义
Adamax是Adam算法的一个变体,它使用无穷范数(infinity norm)来计算梯度的一阶矩估计,而不是默认的L2范数。

原理
Adamax通过维护梯度的一阶矩和二阶矩的估计,并根据这些估计来调整学习率。与Adam不同的是,Adamax在计算梯度的一阶矩估计时使用了无穷范数。

优缺点

  • 优点:在某些情况下,Adamax可能比Adam具有更好的性能,特别是在处理具有大梯度的数据集时。
  • 缺点:与Adam类似,Adamax也可能对超参数的选择敏感,特别是学习率。

9. SparseAdam

定义
SparseAdam是Adam算法的一个变体,专门用于处理稀疏梯度的情况。

原理
SparseAdam优化了内存使用和计算效率,特别是当梯度非常稀疏时。它只对非零梯度元素进行更新,从而减少了计算量和内存消耗。

优缺点

  • 优点:适用于处理具有大量稀疏参数的模型,如自然语言处理中的嵌入层。它可以显著提高训练效率和减少内存消耗。
  • 缺点:在梯度不稀疏的情况下,SparseAdam的性能可能不如普通的Adam算法。

10. LBFGS

定义
LBFGS(Limited-memory Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno)是一种基于拟牛顿法的优化算法,它使用有限的内存来近似Hessian矩阵的逆。

原理
LBFGS通过维护一个历史梯度信息的集合来近似Hessian矩阵的逆,并据此进行参数更新。它特别适用于处理具有少量参数和强凸性问题的优化任务。

优缺点

  • 优点:在处理小规模优化问题时具有较高的效率和精度。
  • 缺点:由于需要存储历史梯度信息,因此内存消耗较大。此外,LBFGS不适用于具有大量参数的深度学习模型。

总结

每种优化器都有其独特的优缺点,选择哪种优化器取决于具体的应用场景、模型结构、数据集特性等因素。在实践中,通常需要通过实验来比较不同优化器的效果,并选择最适合当前任务的优化器。

### PyTorch 中 Adam 优化器的参数及其用法 PyTorch 的 `torch.optim` 模块提供了多种优化算法,其中 Adam 是一种常用的自适应学习率优化方法。以下是关于 Adam 优化器的关键参数以及如何在实际场景中使用它的详细介绍。 #### 关键参数说明 Adam 优化器的核心参数包括但不限于以下几个: 1. **lr (Learning Rate)** 学习率控制每次迭代中的步长大小,默认值为 `0.001`。它决定了模型权重更新的速度。较小的学习率可能导致收敛缓慢,而较大的学习率可能使损失函数不稳定甚至发散[^2]。 2. **betas** 这是一个元组 `(beta1, beta2)`,用于计算梯度的一阶矩估计和二阶矩估计的指数衰减率。默认值通常设置为 `(0.9, 0.999)`。这些值影响动量项和平滑梯度的效果。 3. **eps (Epsilon)** 小常数,用来防止除零错误并提高数值稳定性,默认值为 `1e-8`。 4. **weight_decay** 权重衰减系数(L2 正则化),默认值为 `0`。通过增加正则化可以有效减少过拟合的风险。 5. **amsgrad** 是否启用 AMSGrad 变体,默认为 `False`。AMSGrad 修改了原始 Adam 方法,在某些情况下能够提供更好的性能。 #### 使用示例 下面展示了一个典型的 Adam 优化器实例化的代码片段,并演示了如何将其应用于神经网络训练过程。 ```python import torch from torch import nn from torch.optim import Adam # 定义简单的全连接层网络作为示例 model = nn.Sequential( nn.Linear(10, 5), nn.ReLU(), nn.Linear(5, 1) ) # 设置初始学习率为 0.001 并应用 L2 正则化 optimizer = Adam(model.parameters(), lr=0.001, weight_decay=1e-5) # 训练循环伪代码 for epoch in range(num_epochs): for data, target in dataloader: optimizer.zero_grad() output = model(data) loss = criterion(output, target) loss.backward() optimizer.step() # 更新模型参数 ``` 上述代码展示了如何定义一个基本的线性回归模型,并利用 Adam 优化器对其进行训练。注意调用了 `zero_grad()` 清空之前累积的梯度;随后执行反向传播操作 (`loss.backward()`) 和参数更新 (`optimizer.step()`)。 #### 复杂情况下的分组管理 当面对复杂的多模块架构时,可以通过参数分组来实现更精细的调整策略。例如,对于预训练好的 BERT 层和其他新增加的部分采用不同学习速率的情况如下所示: ```python params = [ {"params": [p for n, p in model.named_parameters() if "bert" not in n]}, {"params": [p for n, p in model.named_parameters() if "bert" in n], 'lr': 2e-5} ] optimizer = Adam(params, lr=0.001) # 默认学习率仅适用于未特别指定部分 ``` 这里我们将整个网络划分为两个子集——非BERT组件沿用标准配置即 `lr=0.001` 而含BERT字样的那些层则被赋予更低水平的学习速度以保护已有的知识迁移成果[^4]。 ---
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