[深度学习] loss不下降的解决方法

本文深入探讨了神经网络训练中Loss值不下降的多种原因,包括模型结构、权重初始化、正则化、激活与损失函数、优化器选择、训练时间、数据集质量等,提供了详细的解决方案。

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链接:https://blog.ailemon.me/2019/02/26/solution-to-loss-doesnt-drop-in-nn-train/

当我们训练一个神经网络模型的时候,我们经常会遇到这样的一个头疼的问题,那就是,神经网络模型的loss值不下降,以致我们无法训练,或者无法得到一个效果较好的模型。导致训练时loss不下降的原因有很多,而且,更普遍的来说,loss不下降一般分为三种,即:训练集上loss不下降验证集上loss不下降,和测试集上loss不下降。这里,首先默认各位都能理解过拟合和欠拟合的概念。

训练集loss不下降

训练集的loss在训练过程中迟迟不下降,一般是由这几个方面导致的。

1.模型结构和特征工程存在问题

如果一个模型的结构有问题,那么它就很难训练,通常,自己“自主研发”设计的网络结构可能很难适应实际问题,通过参考别人已经设计好并实现和测试过的结构,以及特征工程方案,进行改进和适应性修改,可以更快更好的完成目标任务。当模型结构不好或者规模太小、特征工程存在问题时,其对于数据的拟合能力不足,是很多人在进行一个新的研究或者工程应用时,遇到的第一个大问题。

比如我在搭建wavnet时,其中res_block的输出给错了,导致网络很难训练的问题。

2.权重初始化方案有问题

神经网络在训练之前,我们需要给其赋予一个初值,但是如何选择这个初始值,则要参考相关文献资料,选择一个最合适的初始化方案。常用的初始化方案有全零初始化、随机正态分布初始化和随机均匀分布初始化等。合适的初始化方案很重要,用对了,事半功倍,用不对,模型训练状况不忍直视。博主之前训练一个模型,初始化方案不对,训练半天都训练不动,loss值迟迟居高不下,最后改了初始化方案,loss值就如断崖式下降。

建议无脑xaiver normal初始化或者 he normal

3.正则化过度

L1 L2和Dropout是防止过拟合用的,当训练集loss下不来时,就要考虑一下是不是正则化过度,导致模型欠拟合了。一般在刚开始是不需要加正则化的,过拟合后,再根据训练情况进行调整。如果一开始就正则化,那么就难以确定当前的模型结构设计是否正确了,而且调试起来也更加困难。

建议bn,他也有一定的防止过拟合的能力

4.选择合适的激活函数、损失函数

不仅仅是初始化,在神经网络的激活函数、损失函数方面的选取,也是需要根据任务类型,选取最合适的。

比如,卷积神经网络中,卷积层的输出,一般使用ReLu作为激活函数,因为可以有效避免梯度消失,并且线性函数在计算性能上面更加有优势。而循环神经网络中的循环层一般为tanh,或者ReLu,全连接层也多用ReLu,只有在神经网络的输出层,使用全连接层来分类的情况下,才会使用softmax这种激活函数。

而损失函数,对于一些分类任务,通常使用交叉熵损失函数,回归任务使用均方误差,有自动对齐的任务使用CTC loss等。损失函数相当于模型拟合程度的一个评价指标,这个指标的结果越小越好。一个好的损失函数,可以在神经网络优化时,产生更好的模型参数。

5.选择合适的优化器和学习速率

神经网络的优化器选取一般选取Adam,但是在有些情况下Adam难以训练,这时候需要使用如SGD之类的其他优化器。学习率决定了网络训练的速度,但学习率不是越大越好,当网络趋近于收敛时应该选择较小的学习率来保证找到更好的最优点。所以,我们需要手动调整学习率,首先选择一个合适的初始学习率,当训练不动之后,稍微降低学习率,然后再训练一段时间,这时候基本上就完全收敛了。一般学习率的调整是乘以/除以10的倍数。不过现在也有一些自动调整学习率的方案了,不过,我们也要知道如何手动调整到合适的学习率。

6.训练时间不足

我有时会遇到有人问这样的问题,为什么训练了好几个小时了,怎么loss没降多少,或者怎么还没收敛。心急吃不了热豆腐!各种深度学习的训练都有不同的计算量,当需要的计算量很大时,怎么可能几个小时就训练完,尤其是还在使用自己的个人电脑CPU来训练模型的情况下。一般解决方案就是,使用更快的硬件加速训练,比如GPU,在涉及到计算机视觉方面的任务时,加速效果显著,主要是卷积网络的缘故。当已经没有办法使用硬件来加速的时候,唯一的解决方案就是——等。

7.模型训练遇到瓶颈

这里的瓶颈一般包括:梯度消失、大量神经元失活、梯度爆炸和弥散、学习率过大或过小等。

梯度消失时,模型的loss难以下降,就像走在高原上,几乎任何地方都是高海拔,可以通过梯度的检验来验证模型当前所处的状态。有时梯度的更新和反向传播代码存在bug时,也会有这样的问题。

在使用Relu激活函数的时候,当每一个神经元的输入X为负时,会使得该神经元输出恒为0,导致失活,由于此时梯度为0,无法恢复。有一种解决方案是使用LeakyRelu,这时,Y轴的左边图线会有一个很小的正梯度,使得神经网络在一定时间后可以得到恢复。不过LeakyRelu并不常用,因为部分神经元失活并不影响结果,相反,这种输出为0还有很多积极的作用。因为Relu方程输入为负时,输出值为0,利用此特性可以很好地忽略掉卷积核输出负相关信息,同时保留相关信息。

 梯度爆炸和梯度弥散产生的根本原因是,根据链式法则,深度学习中的梯度在逐层累积。如1.1的n次方无穷大,0.9的n次方无穷小。网络中某些层过大的输出也会造成梯度爆炸,此时应该为该输出取一个上界,可用最大范数约束。 

关于学习率,可按照第5项内容进行调整。

 

8.batch size过大

batch size过小,会导致模型后期摇摆不定,迟迟难以收敛,而过大时,模型前期由于梯度的平均,导致收敛速度过慢。一般batch size 的大小常常选取为32,或者16,有些任务下比如NLP中,可以选取8作为一批数据的个数。不过,有时候,为了减小通信开销和计算开销的比例,也可以调整到非常大的值,尤其是在并行和分布式中。

9.数据集未打乱

不打乱数据集的话,会导致网络在学习过程中产生一定的偏见问题。比如张三和李四常常出现在同一批数据中,那么结果就是,神经网络看见了张三就会“想起”李四。主要原因是,梯度更新时,总时张三和李四的梯度平均,导致出现固定的梯度走向,使得数据集的丰富度降低了。数据打乱后,张三还会跟王五一起平均,李四也会跟王五一起平均,那么梯度的走向会更丰富,也能更好地在整个数据集上学习到最有用的隐含特征。

10.数据集有问题

当一个数据集噪声过多,或者数据标注有大量错误时,会使得神经网络难以从中学到有用的信息,从而出现摇摆不定的情况。就像有人告诉你1+1=2,还有人告诉你1+1=3时,就会陷入困惑。或者还有可能时读取数据出错导致,这时实际情况跟数据标注错误是一样的。另外,类别的不平衡也会使得较少类别由于信息量不足,难以习得本质特征。

11.未进行归一化

未进行归一化会导致尺度的不平衡,比如1km和1cm的不平衡,因此会导致误差变大,或者在同样的学习率下,模型会以秒速五厘米的步伐,左右两边摇摆不定地,向前走1km。有时,不平衡是由于不同的度量单位导致的,比如kg和m,我们都知道,1kg和1m没有什么可比性,虽然数字都是1。因此,我们完全可以通过放缩,使得特征的数值分布更接近一些。

归一化前后对比

12.特征工程中对数据特征的选取有问题

数据特征的选取不合理,就像数据标注错误一样,会使得神经网络难以找到数据的本质特征进行学习。而机器学习的本质就是在做特征工程,以及清洗数据(逃)。

验证集loss不下降

验证集的loss不下降分为两种。一种是训练集上的loss也不下降,这时问题主要在训练集的loss上,应当先参考上述方法解决。另一种是训练集上的loss可以下降,但验证集上的loss已经不降了,这里我们主要说明这种情况下的问题。

由于验证集是从同一批训练数据中划分出来的,所以一般不存在数据集的问题,所以主要是过拟合。过拟合解决起来,其实不怎么复杂,无非就几种方法,但是对工程师自身的条件要求比较高。

1.适当的正则化和降维

正则化是用来解决模型过拟合问题的一个很重要的手段,比如通过增加一个正则项,并且人为给定一个正则系数lambda,进行权重衰减,将一些相关性不大的特征项的参数衰减到几乎为0,相当于去掉了这一项特征,这跟降维类似,相当于减少了特征维度。而去掉基本无关的维度,那么就避免了模型对于这一维度特征的过分拟合。还有在神经网络两个层之间增加Dropout和Normal等,也起到了抑制过拟合的作用。

2.适当降低模型的规模

过拟合很重要的一个原因也是模型的复杂度太高,就像一亩地只种了一棵小麦,那么其他地方不种就会长杂草,于是就会过拟合了一些噪声。所以,除了正则化手段以外,适当减小模型的规模也是很重要的,尽量让神经网络结构的假设空间与预期目标模型需要存储的信息量相匹配。

3.获取更多的数据集

这是终极解决方案,深度学习就是在有大量数据的基础上发展起来的。深度学习的三件套:数据、模型和硬件。模型可以直接拿来用,硬件可以花钱买,但是数据需要一点一点去收集,而且很多问题的解决就依赖于大量的数据,没数据就没有一切。

 

测试集loss不下降

测试集一般为模型之前训练时从未见过的新数据,或者目标应用场景下的真实数据。由于训练集和验证集的loss不下降时,应归为前两节的内容,所以这一节中,我们默认训练集和验证集的loss情况是正常的。所以,如果测试集的loss很高,或者正确率很低,那么一般是因为训练数据的分布和场景与测试数据的分布和应用场景不一致。

1.应用场景不一致

比如,一个语音识别模型,输入的数据集都是女性的录音音频,那么对于男性的声音就不能很好的识别出来。这个也是博主之前做语音识别的时候遇到过的一个真实案例,解决方案就是增加含有大量男性录音音频的数据集来训练。

 

2.噪声问题‘

噪声问题是实际应用场景下,频繁遇到的问题。直接容易理解的案例就是,在语音识别中,标准语音数据集都是在安静环境下采集的数据,但是在实际应用中,我们录音时多多少少会有噪声,那么我们需要专门去处理噪声,比如进行一个降噪处理,或者在训练数据中添加噪声等。在图像的识别中,那么就需要考虑图片中的遮挡、雾霾、旋转、镜像和大小远近等问题。

 

<think>我们被要求解读深度学习训练过程中的Loss图(即损失值变化趋势图)。根据引用[3],我们通常关注训练集损失(loss)和验证集损失(val_loss)的变化情况。以下将分步骤解读:###1. **正常训练趋势**- **理想情况**:训练初期,训练损失(loss)和验证损失(val_loss)都应随着训练轮次(epoch)增加而快速下降,表明模型正在从数据中学习有效特征。-**中期收敛**:随后下降速度减缓,最终趋于稳定(在某个值附近小幅波动),此时模型可能已达到当前最优状态[^3]。###2. **过拟合信号**-**典型表现**:训练损失持续下降,但验证损失在某个点后**开始上升或下降**。-**原因分析**:模型过度拟合训练数据中的噪声或特定样本,导致泛化能力下降。例如:-训练损失至$0.1$,验证损失却从$0.5$升至$0.8$[^3]。- **解决方案**:引用[2]建议采用正则化(如Dropout、权重衰减)、数据增强或早停策略(EarlyStopping)[^2]。 ###3. **欠拟合信号**-**典型表现**:训练损失和验证损失均**下降缓慢或长期停滞在高位**。- **原因分析**:模型复杂度足(如网络层数过少)或训练充分(如epoch足)。例如:-训练损失和验证损失均卡在$1.0$附近无法进一步下降[^3]。-**解决方案**:引用[2]指出需调整模型结构(增加层数/神经元)、延长训练时间或优化学习率[^2]。 ###4. **训练稳定**- **典型表现**:损失曲线出现**剧烈震荡**(大幅上下波动)。-**原因分析**:-学习率设置过高,导致参数更新步幅过大(引用[2]建议低学习率或使用学习率调度策略)[^2]。-批量大小(batchsize)过小,梯度估计噪声大(可尝试增大batchsize)。-数据分布存在异常值(需检查数据质量)。 ###5. **验证损失与训练损失的相对位置**- **正常情况**:验证损失通常略高于训练损失(因模型在训练集上表现更优),但两者差距应较小。- **异常情况**:-验证损失**远高于**训练损失:强烈过拟合信号。-验证损失**低于**训练损失:可能因验证集数据分布更简单或训练集数据增强强度过大(引用[3])[^3]。###可视化示例分析```plaintextEpoch1-10:loss从2.0 →0.8, val_loss从2.1 →0.9(正常下降)Epoch11-20: loss从0.8 →0.3,val_loss从0.9 →0.5(继续下降) Epoch21-30:loss从0.3 →0.15,val_loss从0.5 →0.7←过拟合!val_loss上升```>**关键诊断工具**:结合引用[1]提到的**平滑处理**(如移动平均)可过滤噪声,更清晰识别趋势[^1]。例如对原始损失序列$L_t$计算平滑值: >$$ S_t =\alpha\cdotL_t+ (1-\alpha)\cdotS_{t-1}$$ >其中$\alpha$为平滑系数(通常取0.1-0.3)。---###总结:Loss图解读流程图```mermaidgraphTDA[观察整体趋势] -->B{loss是否下降?}B --是--> C{val_loss是否下降?}B --否--> D[欠拟合]C--是--> E[正常训练]C --否--> F[过拟合]A--> G{曲线是否震荡?}G--是--> H[学习率过大/数据问题] ```§§相关问题§§1.如何对损失曲线进行平滑处理以更准确识别趋势?2.早停策略(EarlyStopping)如何根据损失曲线自动触发?3.学习率调度策略(如余弦退火)如何影响损失曲线的形态?4.如何区分过拟合和数据集分布匹配导致的验证损失上升?</think>### 深度学习Loss图解读指南 通过分析训练损失(loss)和验证损失(val_loss)的变化趋势,可诊断模型训练状态。以下是关键分析维度: --- #### 一、基础诊断模式 1. **理想收敛状态** - ✅ 训练损失和验证损失**同步平稳下降** - ✅ 最终稳定在较低值(如 $loss \approx 0.2$, $val\_loss \approx 0.25$) - 表明模型学习有效且泛化能力良好[^3] 2. **过拟合信号** - ❗ 训练损失持续下降,但验证损失**在某个epoch后开始上升** ```plaintext Epoch 10: loss=0.35 → val_loss=0.42 Epoch 20: loss=0.15 ↗ val_loss=0.55 ← 过拟合点! ``` - 成因:模型过度记忆训练集噪声(解决方案:增强正则化/Dropout/数据增强)[^2] 3. **欠拟合信号** - ❗ 训练损失和验证损失**均停滞在高位** ```plaintext Epoch 50: loss=1.2 → val_loss=1.3 Epoch 100: loss=1.1 → val_loss=1.25 ← 未充分学习 ``` - 成因:模型容量足或训练充分(解决方案:增加网络深度/延长训练)[^2] --- #### 二、进阶分析技巧 4. **曲线震荡分析** - 🔄 **高频震荡**:通常因学习率过大或batch size过小 $$ \Delta loss_{epoch} > 0.5 \times \bar{loss} $$ - 🌊 **低频波动**:可能提示数据分布均衡(检查数据集采样) 5. **相对位置诊断** | 现象 | 含义 | 调优方向 | |-----------------------|-----------------------------|-----------------------| | val_loss << loss | 验证集过于简单或数据泄露 | 重新划分数据集 | | val_loss >> loss | 严重过拟合 | 增强正则化策略 | | 双曲线间距持续扩大 | 泛化能力恶化 | 添加Dropout层[^2] | 6. **平台期突破分析** - 损失曲线停滞时突然下降:表明优化器找到更优解路径 - 超过10个epoch无变化:需触发学习率衰减或早停[^2] --- #### 三、工程化分析工具 7. **平滑处理技术** 使用指数加权平均消除噪声,突出趋势(引用[1]方案): ```python def smooth_loss(losses, alpha=0.3): # α为平滑系数 smoothed = [losses[0]] for t in range(1, len(losses)): smoothed.append(alpha * losses[t] + (1-alpha) * smoothed[t-1]) return smoothed ``` **效果对比**: ![原始曲线 vs 平滑曲线](data:image/svg+xml;base64,...)[^1] 8. **多指标联合分析** - 结合准确率/召回率曲线验证损失可信度 - 当损失下降但精度停滞:可能存在标签噪声或评估指标匹配 > **关键原则**:验证损失比训练损失更具参考价值,因其反映未见过数据的泛化能力[^3]。 ---
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