深度学习总结(四)——正则项系数、Batch_size设置

深度学习调参:正则项系数与Batch Size实践
本文介绍了深度学习中正则项系数(λ)和Batch Size的设置策略。对于正则项系数,建议从0开始,先确定合适的学习率,再通过验证准确率进行粗调和细调。对于Batch Size,全数据集适用于小数据集,而Mini-batch适合大规模数据,平衡计算效率与模型优化。Mini-batch大小的选择需考虑数据集规模和计算设备能力。

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1. 正则项系数(λ)的设置

建议一开始将正则项系数λ设置为0,先确定一个比较好的learning rate。然后固定该learning rate,给λ一个值(比如1.0),然后根据validation accuracy,将λ增大或者减小10倍(增减10倍是粗调节,当你确定了λ的合适的数量级后,比如λ = 0.01,再进一步地细调节,比如调节为0.02,0.03,0.009之类。)

2. Batch size三种情况

Batch_Size(批尺寸)是机器学习中一个重要参数。

  1. 如果数据集比较小,完全可以采用全数据集 ( Full Batch Learning )的形式,这样做至少有 2 个好处:其一,由全数据集确定的方向能够更好地代表样本总体,从而更准确地朝向极值所在的方向。其二,由于不同权重的梯度值差别巨大,因此选取一个全局的学习率很困难。
  2. Batch_Size = 1。这就是在线学习(Online Learning)。使用在线学习,每次修正方向以各自样本的梯度方向修正,横冲直撞各自为政,难以达到收敛。
  3. 如果网络中采用minibatch SGD算法来优化,所以是一个batch一个batch地将数据输入CNN模型中,然后计算这个batch的所有样本的平均损失,即代价函数是所有样本的平均。而batch_size就是一个batch的所包含的样本数,显然batch_size将影响到模型的优化程度和速度。mini batch只是为充分利用GPU memory而做出的妥协

3. Mini-batch size的设置

大的batch,可以充分利用矩阵、线性代数库来进行计算的加速,batch越小,则加速效果可能越不明显。当然batch太大了,权重的更新率降低,导致优化过程太漫长。所以mini-batch size选多少,不是一成不变的,根据你的数据集规模、你的设备计算能力去选。

### 深度学习中的正则化与数据增强实践方法 在深度学习中,正则化和数据增强是两种重要的技术,用于提高模型的泛化能力和减少过拟合。以下将详细介绍这两种技术的具体实践方法。 #### 1. 正则化方法 正则化的主要目的是通过控制模型复杂度和限制模型的自由度来提高模型的泛化能力[^4]。以下是几种常见的正则化方法及其实践方式: - **L1 和 L2 正则化** 在逻辑回归或神经网络中,可以通过在损失函数中添加 L1 或 L2 正则化项来实现参数范数惩罚。例如,在 TensorFlow 中可以使用 `tf.keras.regularizers` 模块: ```python from tensorflow.keras import regularizers model = tf.keras.models.Sequential([ tf.keras.layers.Dense(64, activation='relu', kernel_regularizer=regularizers.l2(0.01)), tf.keras.layers.Dense(10, activation='softmax') ]) ``` 这里的 `kernel_regularizer=regularizers.l2(0.01)` 表示对权重应用 L2 正则化系数为 0.01[^3]。 - **Dropout** Dropout 是一种通过随机丢弃神经元来防止过拟合的技术。在训练过程中,每个神经元以一定概率被丢弃,从而强制网络学习更具鲁棒性的特征。以下是一个简单的 Dropout 实现: ```python from tensorflow.keras.layers import Dropout model = tf.keras.models.Sequential([ tf.keras.layers.Dense(64, activation='relu'), Dropout(0.5), tf.keras.layers.Dense(10, activation='softmax') ]) ``` 这里的 `Dropout(0.5)` 表示以 50% 的概率丢弃神经元[^3]。 - **早停止法(Early Stopping)** 早停止法通过监控验证集上的误差,在误差不再减小时提前终止训练,避免过拟合。在 TensorFlow 中可以通过回调函数实现: ```python callback = tf.keras.callbacks.EarlyStopping(monitor='val_loss', patience=3) model.fit(x_train, y_train, epochs=100, validation_data=(x_val, y_val), callbacks=[callback]) ``` 这里的 `patience=3` 表示如果验证集上的误差连续 3 次没有改善,则停止训练[^5]。 #### 2. 数据增强方法 数据增强是一种通过生成额外训练样本来增加数据量和多样性的方式,从而提高模型的泛化能力[^4]。以下是几种常见的数据增强方法及其实践方式: - **图像数据增强** 对于图像分类任务,可以使用 TensorFlow 的 `ImageDataGenerator` 来实现数据增强: ```python from tensorflow.keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator datagen = ImageDataGenerator( rotation_range=20, width_shift_range=0.2, height_shift_range=0.2, horizontal_flip=True ) train_generator = datagen.flow(x_train, y_train, batch_size=32) model.fit(train_generator, steps_per_epoch=len(x_train) / 32, epochs=50) ``` 这里的参数如 `rotation_range` 和 `horizontal_flip` 控制了数据增强的方式[^3]。 - **文本数据增强** 对于文本数据,可以通过同义词替换、随机插入、删除或交换词语等方式进行增强。例如,使用 Python 的 `nltk` 库实现同义词替换: ```python from nltk.corpus import wordnet def get_synonyms(word): synonyms = set() for syn in wordnet.synsets(word): for lemma in syn.lemmas(): synonyms.add(lemma.name()) return list(synonyms) augmented_text = [] for word in original_text.split(): if len(get_synonyms(word)) > 0: augmented_text.append(random.choice(get_synonyms(word))) else: augmented_text.append(word) ``` #### 总结 正则化和数据增强是深度学习中提高模型泛化能力的重要手段。通过合理选择和组合这些技术,可以在实际项目中有效减少过拟合并提升模型性能。 ---
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