卷积神经网络03(梯度下降)

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线性回归回顾
上面的是一个w(权重),可以直接进行搜索,比较简单,但是如果是多个变量,在使用这种方法查找就很费时,并且有时候还计算不出来。
还有一个问题就是,如果是很多权重,就会是多维的,并且还会有局部最小值的问题。

因此就有本节的梯度下降法出现

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200901143933465.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mjk4OTczOA==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
在这里插入图片描述
虽然不能得到最优解,但是可以得到局部最小值
在这里插入图片描述
可能会出现局部最小值的情况(非凸函数)局部最优
因此,梯度下降只能找到局部最优,并不一定是局部最小值(全局最优点)。
有一种特殊情况,叫做鞍点
在这里插入图片描述
由于g在某一段是0,那么就没有办法进行迭代了。
在这里插入图片描述
随机梯度下降法
在这里插入图片描述
代码复现,其中有一步是为了接收训练后的参数
#定义两个空列表,用于接收计算的epoch和cost(也就是所谓的损失)用于绘制可视化图像
epoch1 = []
cost1 = []
print(‘Predict (after training’,4,forward(4))
plt.plot(epoch1, cost1, c=‘g’)
plt.show()

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 准备数据
x_data = [1.0,2.0,3.0]
y_data = [2.0,4.0,6.0]

# 设置一个初始的权重
w = 1.0

# 定一个前向传播
def forward(x):
    return x*w

# MSE的目标函数
def cost(xs,ys):
    cost = 0
    for x,y in zip(xs,ys):
        y_pred = forward(x)
        cost += (y_pred - y)**2
        # print("cost",cost)
    return cost / len(xs)


# 梯度下降
def gradient(xs,ys):
    grad = 0
    for x,y in zip(xs,ys):
        grad += 2*x*(x*w - y)
    return grad / len(xs)

# 定义两个空列表,用于接收计算的epoch和cost(也就是所谓的损失)用于绘制可视化图像
epoch1 = []
cost1 = []

print('Predict (before training',4,forward(4))
for epoch in range(200):
    cost_val = cost(x_data,y_data)
    grad_val = gradient(x_data,y_data)
    w -= 0.01 * grad_val
    epoch1.append(epoch)
    cost1.append(cost_val)
    print("Epoch:",epoch,'w=',w,"loss=",cost_val)
    
print('Predict (after training',4,forward(4))
plt.plot(epoch1, cost1, c='g')
plt.show()

随机梯度下降
使用随机梯度下降法,可以克服鞍点的问题,即使陷入到鞍点,由于随机噪声的存在,就有可能跨越这个鞍点。
在这里插入图片描述
性能和时间复杂度取一个折中
使用batch进行,每次使用一组进行。
小批量的

<think>好的,我现在需要帮助用户了解卷积神经网络(CNN)中随机梯度下降(SGD)的具体实现和原理。首先,我需要回顾用户提供的引用资料,看看有没有相关的内容可以直接引用或参考。 用户提供的引用中,引用[1]提到在预训练词向量上使用CNN进行句子分类,引用[2]讨论了卷积核的可视化,引用[3]关于dropout技术,引用[4]是Keras的代码示例,引用[5]提到AlexNet在ImageNet上的应用。虽然这些引用没有直接提到SGD,但可以结合这些内容来辅助解释CNN中的SGD应用。 接下来,我需要整理SGD的基本原理,特别是在CNN中的具体应用。SGD的核心是每次迭代使用小批量数据计算梯度并更新参数,这在CNN中同样适用。需要解释清楚SGD与传统梯度下降的区别,比如批量大小、计算效率等。 然后,要结合CNN的结构,说明SGD如何应用于卷积层、池化层和全连接层。例如,卷积层的参数包括卷积核权重和偏置,SGD在反向传播时如何更新这些参数。需要提到反向传播过程中梯度是如何计算的,特别是卷积操作的梯度计算可能比较复杂,这里可能需要简要说明。 用户可能还关心SGD的具体实现细节,比如在代码中如何实现。引用[4]中的代码示例使用了Keras库,可以提到在Keras中如何配置优化器为SGD,设置学习率、动量等参数。例如,在Keras中,可以使用`tf.keras.optimizers.SGD`来定义优化器,并在编译模型时指定。 另外,用户的问题可能涉及SGD的变体,比如带动量的SGD或Adam,但根据问题描述,用户主要关注的是基础的SGD。不过可以简要提到这些变体作为优化方法的一部分,但重点还是放在SGD本身。 还需要考虑SGD在CNN训练中的挑战,比如局部极小值、学习率调整等,并引用相关文献。例如,引用[5]中提到的AlexNet使用了随机梯度下降,并结合了动量法,这可以作为实际应用的例子。同时,引用[3]提到的dropout技术可以结合SGD,防止过拟合,提高模型泛化能力。 在实现细节部分,需要分步骤说明,包括数据准备、前向传播、损失计算、反向传播、参数更新等。每一步都要结合CNN的结构,比如卷积层的输出如何计算,池化层如何影响梯度传播,全连接层的参数更新等。 可能还需要解释一些关键概念,比如学习率的选择、批量大小的影响、迭代次数等超参数的作用。这部分可以结合引用[1]中的“几乎没有超参数调整”来说明合理设置超参数的重要性,尽管在某些情况下简单的设置也能取得好效果。 最后,生成相关问题,需要围绕SGD的原理、实现、优化方法、在CNN中的应用以及与其他技术的结合等方面提问,确保问题覆盖用户可能感兴趣的扩展内容。 总结来说,回答的结构应该包括SGD的原理,在CNN中的具体应用步骤,实现细节(包括代码示例),优化方法,以及相关挑战和解决方案。同时,引用提供的文献来支持解释,比如AlexNet中使用SGD的例子,或者dropout与SGD的结合使用。</think>### 卷积神经网络中随机梯度下降的原理与实现 #### 一、随机梯度下降(SGD)原理 随机梯度下降是深度学习中最基础的优化算法,其核心思想是通过迭代更新模型参数以最小化损失函数。在卷积神经网络(CNN)中,SGD的目标是优化卷积核权重、全连接层参数等。 1. **与传统梯度下降的区别** - **批量梯度下降**:使用整个训练集计算梯度,计算成本高但方向稳定。 - **随机梯度下降**:每次仅用单个样本(或小批量)计算梯度,计算效率高且适合大规模数据[^1]。 2. **数学表达** 参数更新公式为: $$w_{t+1} = w_t - \eta \nabla L(w_t; x_i, y_i)$$ 其中 $\eta$ 是学习率,$\nabla L$ 是损失函数关于参数的梯度。 #### 二、CNN中的SGD实现步骤 1. **数据准备** 使用小批量(mini-batch)数据,如引用[4]中的代码通过`imdb.load_data()`加载数据集,并通过`sequence.pad_sequences`对齐输入长度。 2. **前向传播** - 卷积层:计算特征图 $F = X * W + b$,其中 $*$ 表示卷积操作。 - 池化层:降采样(如最大池化)。 - 全连接层:将特征映射到分类结果。 3. **损失计算** 常用交叉熵损失(分类任务)或均方误差(回归任务),例如: $$L = -\sum y_i \log(\hat{y}_i)$$ 4. **反向传播** - **卷积层梯度**:通过反向卷积(转置卷积)计算权重梯度 $\frac{\partial L}{\partial W}$。 - **池化层梯度**:仅传递最大位置梯度(如最大池化)。 - **参数更新**:根据梯度调整权重,例如: ```python optimizer = tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.01, momentum=0.9) model.compile(optimizer=optimizer, loss='categorical_crossentropy') ``` #### 三、关键实现细节 1. **动量(Momentum)** 引入动量项加速收敛并减少震荡: $$v_{t+1} = \gamma v_t + \eta \nabla L(w_t)$$ $$w_{t+1} = w_t - v_{t+1}$$ 如AlexNet中通过动量法提升训练稳定性[^5]。 2. **学习率调整** 可采用学习率衰减策略,例如: ```python lr_schedule = tf.keras.optimizers.schedules.ExponentialDecay( initial_learning_rate=0.1, decay_steps=100, decay_rate=0.96) ``` 3. **正则化与Dropout** 如引用[3]所述,Dropout在训练时随机屏蔽神经元,防止参数过拟合,需在反向传播时调整梯度。 #### 四、挑战与优化 1. **局部极小值**:使用动量或自适应学习率(如Adam)缓解。 2. **梯度消失/爆炸**:通过Batch Normalization或残差连接解决。 3. **并行化**:利用GPU加速卷积计算(如CuDNN库)。 ---
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