热门标签 | HotTags
当前位置:  开发笔记 > 开发工具 > 正文

pytorch实现L2和L1正则化regularization的操作

这篇文章主要介绍了pytorch实现L2和L1正则化regularization的操作,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助。一起跟随小编过来看看吧

1.torch.optim优化器实现L2正则化

torch.optim集成了很多优化器,如SGD,Adadelta,Adam,Adagrad,RMSprop等,这些优化器自带的一个参数weight_decay,用于指定权值衰减率,相当于L2正则化中的λ参数,注意torch.optim集成的优化器只有L2正则化方法,你可以查看注释,参数weight_decay 的解析是:

weight_decay (float, optional): weight decay (L2 penalty) (default: 0)

使用torch.optim的优化器,可如下设置L2正则化

optimizer = optim.Adam(model.parameters(),lr=learning_rate,weight_decay=0.01)

但是这种方法存在几个问题,

(1)一般正则化,只是对模型的权重W参数进行惩罚,而偏置参数b是不进行惩罚的,而torch.optim的优化器weight_decay参数指定的权值衰减是对网络中的所有参数,包括权值w和偏置b同时进行惩罚。很多时候如果对b 进行L2正则化将会导致严重的欠拟合,因此这个时候一般只需要对权值w进行正则即可。(PS:这个我真不确定,源码解析是 weight decay (L2 penalty) ,但有些网友说这种方法会对参数偏置b也进行惩罚,可解惑的网友给个明确的答复)

(2)缺点:torch.optim的优化器固定实现L2正则化,不能实现L1正则化。如果需要L1正则化,可如下实现:

(3)根据正则化的公式,加入正则化后,loss会变原来大,比如weight_decay=1的loss为10,那么weight_decay=100时,loss输出应该也提高100倍左右。而采用torch.optim的优化器的方法,如果你依然采用loss_fun= nn.CrossEntropyLoss()进行计算loss,你会发现,不管你怎么改变weight_decay的大小,loss会跟之前没有加正则化的大小差不多。这是因为你的loss_fun损失函数没有把权重W的损失加上。

(4)采用torch.optim的优化器实现正则化的方法,是没问题的!只不过很容易让人产生误解,对鄙人而言,我更喜欢TensorFlow的正则化实现方法,只需要tf.get_collection(tf.GraphKeys.REGULARIZATION_LOSSES),实现过程几乎跟正则化的公式对应的上。

(5)Github项目源码:点击进入

为了,解决这些问题,我特定自定义正则化的方法,类似于TensorFlow正则化实现方法。

2. 如何判断正则化作用了模型?

一般来说,正则化的主要作用是避免模型产生过拟合,当然啦,过拟合问题,有时候是难以判断的。但是,要判断正则化是否作用了模型,还是很容易的。下面我给出两组训练时产生的loss和Accuracy的log信息,一组是未加入正则化的,一组是加入正则化:

2.1 未加入正则化loss和Accuracy

优化器采用Adam,并且设置参数weight_decay=0.0,即无正则化的方法

optimizer = optim.Adam(model.parameters(),lr=learning_rate,weight_decay=0.0)

训练时输出的 loss和Accuracy信息

step/epoch:0/0,Train Loss: 2.418065, Acc: [0.15625]
step/epoch:10/0,Train Loss: 5.194936, Acc: [0.34375]
step/epoch:20/0,Train Loss: 0.973226, Acc: [0.8125]
step/epoch:30/0,Train Loss: 1.215165, Acc: [0.65625]
step/epoch:40/0,Train Loss: 1.808068, Acc: [0.65625]
step/epoch:50/0,Train Loss: 1.661446, Acc: [0.625]
step/epoch:60/0,Train Loss: 1.552345, Acc: [0.6875]
step/epoch:70/0,Train Loss: 1.052912, Acc: [0.71875]
step/epoch:80/0,Train Loss: 0.910738, Acc: [0.75]
step/epoch:90/0,Train Loss: 1.142454, Acc: [0.6875]
step/epoch:100/0,Train Loss: 0.546968, Acc: [0.84375]
step/epoch:110/0,Train Loss: 0.415631, Acc: [0.9375]
step/epoch:120/0,Train Loss: 0.533164, Acc: [0.78125]
step/epoch:130/0,Train Loss: 0.956079, Acc: [0.6875]
step/epoch:140/0,Train Loss: 0.711397, Acc: [0.8125]

2.1 加入正则化loss和Accuracy

优化器采用Adam,并且设置参数weight_decay=10.0,即正则化的权重lambda =10.0

optimizer = optim.Adam(model.parameters(),lr=learning_rate,weight_decay=10.0)

这时,训练时输出的 loss和Accuracy信息:

step/epoch:0/0,Train Loss: 2.467985, Acc: [0.09375]
step/epoch:10/0,Train Loss: 5.435320, Acc: [0.40625]
step/epoch:20/0,Train Loss: 1.395482, Acc: [0.625]
step/epoch:30/0,Train Loss: 1.128281, Acc: [0.6875]
step/epoch:40/0,Train Loss: 1.135289, Acc: [0.6875]
step/epoch:50/0,Train Loss: 1.455040, Acc: [0.5625]
step/epoch:60/0,Train Loss: 1.023273, Acc: [0.65625]
step/epoch:70/0,Train Loss: 0.855008, Acc: [0.65625]
step/epoch:80/0,Train Loss: 1.006449, Acc: [0.71875]
step/epoch:90/0,Train Loss: 0.939148, Acc: [0.625]
step/epoch:100/0,Train Loss: 0.851593, Acc: [0.6875]
step/epoch:110/0,Train Loss: 1.093970, Acc: [0.59375]
step/epoch:120/0,Train Loss: 1.699520, Acc: [0.625]
step/epoch:130/0,Train Loss: 0.861444, Acc: [0.75]
step/epoch:140/0,Train Loss: 0.927656, Acc: [0.625]

当weight_decay=10000.0

step/epoch:0/0,Train Loss: 2.337354, Acc: [0.15625]
step/epoch:10/0,Train Loss: 2.222203, Acc: [0.125]
step/epoch:20/0,Train Loss: 2.184257, Acc: [0.3125]
step/epoch:30/0,Train Loss: 2.116977, Acc: [0.5]
step/epoch:40/0,Train Loss: 2.168895, Acc: [0.375]
step/epoch:50/0,Train Loss: 2.221143, Acc: [0.1875]
step/epoch:60/0,Train Loss: 2.189801, Acc: [0.25]
step/epoch:70/0,Train Loss: 2.209837, Acc: [0.125]
step/epoch:80/0,Train Loss: 2.202038, Acc: [0.34375]
step/epoch:90/0,Train Loss: 2.192546, Acc: [0.25]
step/epoch:100/0,Train Loss: 2.215488, Acc: [0.25]
step/epoch:110/0,Train Loss: 2.169323, Acc: [0.15625]
step/epoch:120/0,Train Loss: 2.166457, Acc: [0.3125]
step/epoch:130/0,Train Loss: 2.144773, Acc: [0.40625]
step/epoch:140/0,Train Loss: 2.173397, Acc: [0.28125]

2.3 正则化说明

就整体而言,对比加入正则化和未加入正则化的模型,训练输出的loss和Accuracy信息,我们可以发现,加入正则化后,loss下降的速度会变慢,准确率Accuracy的上升速度会变慢,并且未加入正则化模型的loss和Accuracy的浮动比较大(或者方差比较大),而加入正则化的模型训练loss和Accuracy,表现的比较平滑。

并且随着正则化的权重lambda越大,表现的更加平滑。这其实就是正则化的对模型的惩罚作用,通过正则化可以使得模型表现的更加平滑,即通过正则化可以有效解决模型过拟合的问题。

3.自定义正则化的方法

为了解决torch.optim优化器只能实现L2正则化以及惩罚网络中的所有参数的缺陷,这里实现类似于TensorFlow正则化的方法。

3.1 自定义正则化Regularization类

这里封装成一个实现正则化的Regularization类,各个方法都给出了注释,自己慢慢看吧,有问题再留言吧

# 检查GPU是否可用
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
# device='cuda'
print("-----device:{}".format(device))
print("-----Pytorch version:{}".format(torch.__version__))
 
class Regularization(torch.nn.Module):
 def __init__(self,model,weight_decay,p=2):
  '''
  :param model 模型
  :param weight_decay:正则化参数
  :param p: 范数计算中的幂指数值,默认求2范数,
     当p=0为L2正则化,p=1为L1正则化
  '''
  super(Regularization, self).__init__()
  if weight_decay <= 0:
   print("param weight_decay can not <=0")
   exit(0)
  self.model=model
  self.weight_decay=weight_decay
  self.p=p
  self.weight_list=self.get_weight(model)
  self.weight_info(self.weight_list)
 
 def to(self,device):
  '''
  指定运行模式
  :param device: cude or cpu
  :return:
  '''
  self.device=device
  super().to(device)
  return self
 
 def forward(self, model):
  self.weight_list=self.get_weight(model)#获得最新的权重
  reg_loss = self.regularization_loss(self.weight_list, self.weight_decay, p=self.p)
  return reg_loss
 
 def get_weight(self,model):
  '''
  获得模型的权重列表
  :param model:
  :return:
  '''
  weight_list = []
  for name, param in model.named_parameters():
   if 'weight' in name:
    weight = (name, param)
    weight_list.append(weight)
  return weight_list
 
 def regularization_loss(self,weight_list, weight_decay, p=2):
  '''
  计算张量范数
  :param weight_list:
  :param p: 范数计算中的幂指数值,默认求2范数
  :param weight_decay:
  :return:
  '''
  # weight_decay=Variable(torch.FloatTensor([weight_decay]).to(self.device),requires_grad=True)
  # reg_loss=Variable(torch.FloatTensor([0.]).to(self.device),requires_grad=True)
  # weight_decay=torch.FloatTensor([weight_decay]).to(self.device)
  # reg_loss=torch.FloatTensor([0.]).to(self.device)
  reg_loss=0
  for name, w in weight_list:
   l2_reg = torch.norm(w, p=p)
   reg_loss = reg_loss + l2_reg
 
  reg_loss=weight_decay*reg_loss
  return reg_loss
 
 def weight_info(self,weight_list):
  '''
  打印权重列表信息
  :param weight_list:
  :return:
  '''
  print("---------------regularization weight---------------")
  for name ,w in weight_list:
   print(name)
  print("---------------------------------------------------")

3.2 Regularization使用方法

使用方法很简单,就当一个普通Pytorch模块来使用:例如

# 检查GPU是否可用
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
 
print("-----device:{}".format(device))
print("-----Pytorch version:{}".format(torch.__version__))
 
weight_decay=100.0 # 正则化参数
 
model = my_net().to(device)
# 初始化正则化
if weight_decay>0:
 reg_loss=Regularization(model, weight_decay, p=2).to(device)
else:
 print("no regularization")
 
criterion= nn.CrossEntropyLoss().to(device) # CrossEntropyLoss=softmax+cross entropy
optimizer = optim.Adam(model.parameters(),lr=learning_rate)#不需要指定参数weight_decay
 
# train
batch_train_data=...
batch_train_label=...
 
out = model(batch_train_data)
 
# loss and regularization
loss = criterion(input=out, target=batch_train_label)
if weight_decay > 0:
 loss = loss + reg_loss(model)
total_loss = loss.item()
 
# backprop
optimizer.zero_grad()#清除当前所有的累积梯度
total_loss.backward()
optimizer.step()

训练时输出的 loss和Accuracy信息:

(1)当weight_decay=0.0时,未使用正则化

step/epoch:0/0,Train Loss: 2.379627, Acc: [0.09375]
step/epoch:10/0,Train Loss: 1.473092, Acc: [0.6875]
step/epoch:20/0,Train Loss: 0.931847, Acc: [0.8125]
step/epoch:30/0,Train Loss: 0.625494, Acc: [0.875]
step/epoch:40/0,Train Loss: 2.241885, Acc: [0.53125]
step/epoch:50/0,Train Loss: 1.132131, Acc: [0.6875]
step/epoch:60/0,Train Loss: 0.493038, Acc: [0.8125]
step/epoch:70/0,Train Loss: 0.819410, Acc: [0.78125]
step/epoch:80/0,Train Loss: 0.996497, Acc: [0.71875]
step/epoch:90/0,Train Loss: 0.474205, Acc: [0.8125]
step/epoch:100/0,Train Loss: 0.744587, Acc: [0.8125]
step/epoch:110/0,Train Loss: 0.502217, Acc: [0.78125]
step/epoch:120/0,Train Loss: 0.531865, Acc: [0.8125]
step/epoch:130/0,Train Loss: 1.016807, Acc: [0.875]
step/epoch:140/0,Train Loss: 0.411701, Acc: [0.84375]

(2)当weight_decay=10.0时,使用正则化

---------------------------------------------------
step/epoch:0/0,Train Loss: 1563.402832, Acc: [0.09375]
step/epoch:10/0,Train Loss: 1530.002686, Acc: [0.53125]
step/epoch:20/0,Train Loss: 1495.115234, Acc: [0.71875]
step/epoch:30/0,Train Loss: 1461.114136, Acc: [0.78125]
step/epoch:40/0,Train Loss: 1427.868164, Acc: [0.6875]
step/epoch:50/0,Train Loss: 1395.430054, Acc: [0.6875]
step/epoch:60/0,Train Loss: 1363.358154, Acc: [0.5625]
step/epoch:70/0,Train Loss: 1331.439697, Acc: [0.75]
step/epoch:80/0,Train Loss: 1301.334106, Acc: [0.625]
step/epoch:90/0,Train Loss: 1271.505005, Acc: [0.6875]
step/epoch:100/0,Train Loss: 1242.488647, Acc: [0.75]
step/epoch:110/0,Train Loss: 1214.184204, Acc: [0.59375]
step/epoch:120/0,Train Loss: 1186.174561, Acc: [0.71875]
step/epoch:130/0,Train Loss: 1159.148438, Acc: [0.78125]
step/epoch:140/0,Train Loss: 1133.020020, Acc: [0.65625]

(3)当weight_decay=10000.0时,使用正则化

step/epoch:0/0,Train Loss: 1570211.500000, Acc: [0.09375]
step/epoch:10/0,Train Loss: 1522952.125000, Acc: [0.3125]
step/epoch:20/0,Train Loss: 1486256.125000, Acc: [0.125]
step/epoch:30/0,Train Loss: 1451671.500000, Acc: [0.25]
step/epoch:40/0,Train Loss: 1418959.750000, Acc: [0.15625]
step/epoch:50/0,Train Loss: 1387154.000000, Acc: [0.125]
step/epoch:60/0,Train Loss: 1355917.500000, Acc: [0.125]
step/epoch:70/0,Train Loss: 1325379.500000, Acc: [0.125]
step/epoch:80/0,Train Loss: 1295454.125000, Acc: [0.3125]
step/epoch:90/0,Train Loss: 1266115.375000, Acc: [0.15625]
step/epoch:100/0,Train Loss: 1237341.000000, Acc: [0.0625]
step/epoch:110/0,Train Loss: 1209186.500000, Acc: [0.125]
step/epoch:120/0,Train Loss: 1181584.250000, Acc: [0.125]
step/epoch:130/0,Train Loss: 1154600.125000, Acc: [0.1875]
step/epoch:140/0,Train Loss: 1128239.875000, Acc: [0.125]

对比torch.optim优化器的实现L2正则化方法,这种Regularization类的方法也同样达到正则化的效果,并且与TensorFlow类似,loss把正则化的损失也计算了。

此外更改参数p,如当p=0表示L2正则化,p=1表示L1正则化。

4. Github项目源码下载

《Github项目源码》点击进入

以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持。如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教。


推荐阅读
  • 构建基于BERT的中文NL2SQL模型:一个简明的基准
    本文探讨了将自然语言转换为SQL语句(NL2SQL)的任务,这是人工智能领域中一项非常实用的研究方向。文章介绍了笔者在公司举办的首届中文NL2SQL挑战赛中的实践,该比赛提供了金融和通用领域的表格数据,并标注了对应的自然语言与SQL语句对,旨在训练准确的NL2SQL模型。 ... [详细]
  • 资源推荐 | TensorFlow官方中文教程助力英语非母语者学习
    来源:机器之心。本文详细介绍了TensorFlow官方提供的中文版教程和指南,帮助开发者更好地理解和应用这一强大的开源机器学习平台。 ... [详细]
  • 尽管使用TensorFlow和PyTorch等成熟框架可以显著降低实现递归神经网络(RNN)的门槛,但对于初学者来说,理解其底层原理至关重要。本文将引导您使用NumPy从头构建一个用于自然语言处理(NLP)的RNN模型。 ... [详细]
  • 尽管深度学习带来了广泛的应用前景,其训练通常需要强大的计算资源。然而,并非所有开发者都能负担得起高性能服务器或专用硬件。本文探讨了如何在有限的硬件条件下(如ARM CPU)高效运行深度神经网络,特别是通过选择合适的工具和框架来加速模型推理。 ... [详细]
  • 本教程详细介绍了如何使用 TensorFlow 2.0 构建和训练多层感知机(MLP)网络,涵盖回归和分类任务。通过具体示例和代码实现,帮助初学者快速掌握 TensorFlow 的核心概念和操作。 ... [详细]
  • 深入浅出TensorFlow数据读写机制
    本文详细介绍TensorFlow中的数据读写操作,包括TFRecord文件的创建与读取,以及数据集(dataset)的相关概念和使用方法。 ... [详细]
  • 本改进旨在提升运行选择器中名称换行的显示效果,以提高用户体验。 ... [详细]
  • 在Win10上利用VS2015构建Caffe2环境
    本文详细介绍如何在Windows 10操作系统上通过Visual Studio 2015编译Caffe2深度学习框架的过程。包括必要的软件安装、环境配置以及常见问题的解决方法。 ... [详细]
  • 本文详细介绍了如何在Windows环境下配置GPU支持,并使用Keras和TensorFlow实现YOLOv3模型进行图像目标检测。对于环境搭建的具体步骤,可参考外部链接提供的指南。 ... [详细]
  • 本文详细介绍了使用NumPy和TensorFlow实现的逻辑回归算法。通过具体代码示例,解释了数据加载、模型训练及分类预测的过程。 ... [详细]
  • 本文探讨了图像标签的多种分类场景及其在以图搜图技术中的应用,涵盖了从基础理论到实际项目实施的全面解析。 ... [详细]
  • 本文详细介绍了 TensorFlow 的入门实践,特别是使用 MNIST 数据集进行数字识别的项目。文章首先解析了项目文件结构,并解释了各部分的作用,随后逐步讲解了如何通过 TensorFlow 实现基本的神经网络模型。 ... [详细]
  • 本文详细介绍了C++标准模板库(STL)中各容器的功能特性,并深入探讨了不同容器操作函数的异常安全性。 ... [详细]
  • 本文探讨了如何在Python中处理长数据的完全显示问题,包括numpy数组、pandas DataFrame以及tensor类型的完整输出设置。 ... [详细]
  • 图神经网络模型综述
    本文综述了图神经网络(Graph Neural Networks, GNN)的发展,从传统的数据存储模型转向图和动态模型,探讨了模型中的显性和隐性结构,并详细介绍了GNN的关键组件及其应用。 ... [详细]
author-avatar
可爱de小蜗牛
这个家伙很懒,什么也没留下!
PHP1.CN | 中国最专业的PHP中文社区 | DevBox开发工具箱 | json解析格式化 |PHP资讯 | PHP教程 | 数据库技术 | 服务器技术 | 前端开发技术 | PHP框架 | 开发工具 | 在线工具
Copyright © 1998 - 2020 PHP1.CN. All Rights Reserved | 京公网安备 11010802041100号 | 京ICP备19059560号-4 | PHP1.CN 第一PHP社区 版权所有