深度学习中的学习率调节实践

多层感知器多层感知器（MLP）是由一个输入层、一个或多个隐藏层和一个称为输出层的最终层组成的人工神经网络（ANN）。通常，靠近输入层的层称为较低层，靠近输出层的层称为外层，除输出层外的每一层都包含一个偏置神经元，并与下一层完全相连。当一个 ANN 包含一个很深的隐藏层时，它被称为深度神经网络（DNN）。

在本文中，我们将在 MNIST 数据集上训练一个深度 MLP，并通过指数增长来寻找最佳学习率，绘制损失图，并找到损失增长的点，以达到 85％以上的准确率。对于最佳的实践过程，我们将实现早期停止，保存检查点，并使用 TensorBoard 绘制学习曲线。你可以在这里查看 jupyter Notebook：https：／／github．com／lukenew2／learning＿rates＿and＿best＿practices／blob／master／optimal＿learning＿rates＿with＿keras＿api．ipynb 指数学习率学习率可以说是最重要的超参数。一般情况下，最佳学习速率约为最大学习速率（即训练算法偏离的学习速率）的一半。找到一个好的学习率的一个方法是训练模型进行几百次迭代，从非常低的学习率（例如，1e－5）开始，逐渐增加到非常大的值（例如，10）。这是通过在每次迭代时将学习速率乘以一个常数因子来实现的。如果你将损失描绘为学习率的函数，你应该首先看到它在下降，但过一段时间后，学习率会变得很高，这时损失会迅速回升：最佳学习率将略低于转折点，然后你可以重新初始化你的模型，并使用此良好的学习率对其进行正常训练。Keras 模型我们先导入相关库 import osimport matplotlib．pyplot as pltimport numpy as npimport pandas as pd

PROJECT＿ROOT＿DIR ＝ ＂．＂IMAGES＿PATH ＝ os．path．join（PROJECT＿ROOT＿DIR， ＂images＂）os．makedirs（IMAGES＿PATH， exist＿ok＝True）

def save＿fig（fig＿id， tight＿layout＝True， fig＿extension＝＂png＂， resolution＝300）：    path ＝ os．path．join（IMAGES＿PATH， fig＿id ＋ ＂．＂ ＋ fig＿extension）    print（＂Saving figure＂， fig＿id）    if tight＿layout：        plt．tight＿layout（）    plt．savefig（path， format＝fig＿extension， dpi＝resolution）import tensorflow as tffrom tensorflow import keras 接下来加载数据集（X＿train， y＿train）， （X＿test， y＿test） ＝ keras．datasets．fashion＿mnist．load＿data（）

X＿train．shape

X＿train．dtype 标准化像素 X＿valid， X＿train ＝ X＿train［：5000］ ／ 255．0， X＿train［5000：］ ／ 255．0y＿valid， y＿train ＝ y＿train［：5000］， y＿train［5000：］ X＿test ＝ X＿test ／ 255．0 让我们快速看一下数据集中的图像样本，让我们感受一下分类任务的复杂性：class＿names ＝ ［＂T－shirt／top＂， ＂Trouser＂， ＂Pullover＂， ＂Dress＂， ＂Coat＂，               ＂Sandal＂， ＂Shirt＂， ＂Sneaker＂， ＂Bag＂， ＂Ankle boot＂］

n＿rows ＝ 4n＿cols ＝ 10plt．figure（figsize＝（n＿cols ＊ 1．2， n＿rows ＊ 1．2））for row in range（n＿rows）：    for col in range（n＿cols）：        index ＝ n＿cols ＊ row ＋ col        plt．subplot（n＿rows， n＿cols， index ＋ 1）        plt．imshow（X＿train［index］， cmap＝＂binary＂， interpolation＝＂nearest＂）        plt．axis（＇off＇）        plt．title（class＿names［y＿train［index］］， fontsize＝12）plt．subplots＿adjust（wspace＝0．2， hspace＝0．5）save＿fig（＇fashion＿mnist＿plot＇， tight＿layout＝False）plt．show（）

我们已经准备好用 Keras 来建立我们的 MLP。下面是一个具有两个隐藏层的分类 MLP：model ＝ keras．models．Sequential（［    keras．layers．Flatten（input＿shape＝［28，28］），    keras．layers．Dense（300， activation＝＂relu＂），    keras．layers．Dense（100， activation＝＂relu＂），    keras．layers．Dense（10， activation＝＂softmax＂）］）让我们一行一行地看这个代码：首先，我们创建了一个 Sequential 模型，它是神经网络中最简单的 Keras 模型，它只由一堆按顺序连接的层组成。接下来，我们构建第一层并将其添加到模型中。它是一个 Flatten 层，其目的是将每个输入图像转换成一个 1D 数组：如果它接收到输入数据 X，则计算 X．reshape（－1，1）。由于它是模型的第一层，所以应该指定其输入形状。你也可以添加 keras．layers．InputLayer 作为第一层，设置其 input＿shape＝［28，28］下一步，我们添加一个 300 个神经元的隐藏层，并指定它使用 ReLU 激活函数。每一个全连接层管理自己的权重矩阵，包含神经元与其输入之间的所有连接权重，同事它还管理一个偏置向量，每个神经元一个。然后我们添加了第二个 100 个神经元的隐藏层，同样使用 ReLU 激活函数。最后，我们使用 softmax 激活函数添加了一个包含 10 个神经元的输出层（因为我们的分类任务是每个类都是互斥的）。使用回调在 Keras 中，fit（）方法接受一个回调参数，该参数允许你指定 Keras 在训练开始和结束、每个 epoch 的开始和结束时，甚至在处理每个 batch 处理之前和之后要调用对象的列表。为了实现指数级增长的学习率，我们需要创建自己的自定义回调。我们的回调接受一个参数，用于提高学习率的因子。为了将损失描绘成学习率的函数，我们跟踪每个 batch 的速率和损失。请注意，我们将函数定义为 on＿batch＿end（），这取决于我们的目标，当然也可以是 on＿train＿begin（）， on＿train＿end（）， on＿batch＿begin（）。对于我们的用例，我们希望在每个批处理之后提高学习率并记录损失：K ＝ keras．backend

class ExponentialLearningRate（keras．callbacks．Callback）：    def ＿＿init＿＿（self， factor）：        self．factor ＝ factor        self．rates ＝ ［］        self．losses ＝ ［］    def on＿batch＿end（self， batch， logs）：        self．rates．append（K．get＿value（self．model．optimizer．lr））        self．losses．append（logs［＂loss＂］）        K．set＿value（self．model．optimizer．lr， self．model．optimizer．lr ＊ self．factor）现在我们的模型已经创建好了，我们只需调用它的 compile（）方法来指定要使用的 loss 函数和优化器，或者你可以指定要在训练和评估期间计算的额外指标列表。首先，我们使用“稀疏的分类交叉熵”损失，因为我们有稀疏的标签（也就是说，对于每个实例，只有一个目标类索引，在我们的例子中，从 0 到 9），并且这些类是互斥的）；接下来，我们指定使用随机梯度下降，并将学习速率初始化为 1e－3，并在每次迭代中增加 0．5％：model．compile（loss＝＂sparse＿categorical＿crossentropy＂，              optimizer＝keras．optimizers．SGD（lr＝1e－3），              metrics＝［＂accuracy＂］）expon＿lr ＝ ExponentialLearningRate（factor＝1．005）现在让我们训练模型一个 epoch：history ＝ model．fit（X＿train， y＿train， epochs＝1，                    validation＿data＝（X＿valid， y＿valid），                    callbacks＝［expon＿lr］）我们现在可以将损失绘制为学习率的函数：plt．plot（expon＿lr．rates， expon＿lr．losses）plt．gca（）．set＿xscale（＇log＇）plt．hlines（min（expon＿lr．losses）， min（expon＿lr．rates）， max（expon＿lr．rates））plt．axis（［min（expon＿lr．rates）， max（expon＿lr．rates）， 0， expon＿lr．losses［0］］）plt．xlabel（＂Learning rate＂）plt．ylabel（＂Loss＂）save＿fig（＂learning＿rate＿vs＿loss＂）

正如我们所期望的，随着学习率的提高，最初的损失逐渐减少，但过了一段时间，学习率太大，导致损失反弹：最佳学习率将略低于损失开始攀升的点（通常比转折点低 10 倍左右）。我们现在可以重新初始化我们的模型，并使用良好的学习率对其进行正常训练。还有更多的学习率技巧，包括创建学习进度表，我希望在以后的调查中介绍，但对如何手动选择好的学习率有一个直观的理解同样重要。我们的损失在 3e－1 左右开始反弹，所以让我们尝试使用 2e－1 作为我们的学习率：keras．backend．clear＿session（）np．random．seed（42）tf．random．set＿seed（42）model ＝ keras．models．Sequential（［    keras．layers．Flatten（input＿shape＝［28， 28］），    keras．layers．Dense（300， activation＝＂relu＂），    keras．layers．Dense（100， activation＝＂relu＂），    keras．layers．Dense（10， activation＝＂softmax＂）］）model．compile（loss＝＂sparse＿categorical＿crossentropy＂，              optimizer＝keras．optimizers．SGD（lr＝2e－1），              metrics＝［＂accuracy＂］）使用 TensorBoard 进行可视化 TensorBoard 是一个很好的交互式可视化工具，你可以使用它查看训练期间的学习曲线、比较学习曲线、可视化计算图、分析训练统计数据、查看模型生成的图像，可视化复杂的多维数据投影到三维和自动聚类，等等！这个工具是在安装 TensorFlow 时自动安装的，所以你应该已经安装了。让我们首先定义将用于 TensorBoard 日志的根日志目录，再加上一个小函数，该函数将根据当前时间生成一个子目录路径，以便每次运行时它都是不同的。你可能需要在日志目录名称中包含额外的信息，例如正在测试的超参数值，以便更容易地了解你在 TensorBoard 中查看的内容：root＿logdir ＝ os．path．join（os．curdir， ＂my＿logs＂）

def get＿run＿logdir（）：    import time    run＿id ＝ time．strftime（＂run＿％Y＿％m＿％d－％H＿％M＿％S＂）    return os．path．join（root＿logdir， run＿id）
run＿logdir ＝ get＿run＿logdir（） ＃ 例如， ＇．／my＿logs／run＿2020＿07＿31－15＿15＿22＇Keras api 提供了一个 TensorBoard（）回调函数。TensorBoard（）回调函数负责创建日志目录，并在训练时创建事件文件和编写摘要（摘要是一种二进制数据记录，用于创建可视化 TensorBoard）。每次运行有一个目录，每个目录包含一个子目录，分别用于记录训练日志和验证日志，两者都包含事件文件，但训练日志也包含分析跟踪：这使 TensorBoard 能够准确地显示模型在模型的每个部分（跨越所有设备）上花费了多少时间，这对于查找性能瓶颈非常有用。early＿stopping＿cb ＝ keras．callbacks．EarlyStopping（patience＝20）checkpoint＿cb ＝ keras．callbacks．ModelCheckpoint（＂my＿fashion＿mnist＿model．h5＂， save＿best＿only＝True）tensorboard＿cb ＝ keras．callbacks．TensorBoard（run＿logdir）
history ＝ model．fit（X＿train， y＿train， epochs＝100，                    validation＿data＝（X＿valid， y＿valid），                    callbacks＝［early＿stopping＿cb， checkpoint＿cb， tensorboard＿cb］）接下来，我们需要启动 TensorBoard 服务器。我们可以通过运行以下命令在 Jupyter 中直接执行此操作。第一行加载 TensorBoard 扩展，第二行启动端口 6004 上的 TensorBoard 服务器，并连接到它：％load＿ext tensorboard ％tensorboard — logdir＝．／my＿logs — port＝6004 现在你应该可以看到 TensorBoard 的 web 界面。单击“scaler”选项卡以查看学习曲线。在左下角，选择要可视化的日志（例如，第一次运行的训练日志），然后单击 epoch＿loss scaler。请注意，在我们的训练过程中，训练损失下降得很顺利。

你还可以可视化整个图形、学习的权重（投影到 3D）或分析轨迹。TensorBoard（）回调函数也有记录额外数据的选项，例如 NLP 数据集的嵌入。这实际上是一个非常有用的可视化工具。结论在这里我们得到了 88％的准确率，这是我们可以达到的最好的深度 MLP。如果我们想进一步提高性能，我们可以尝试卷积神经网络（CNN），它对图像数据非常有效。

就我们的目的而言，这就足够了。我们学会了如何：使用 Keras 的 Sequential API 构建深度 mlp。通过按指数增长学习率，绘制损失图，并找到损失重新出现的点，来找到最佳学习率。构建深度学习模型时的最佳实践，包括使用回调和使用 TensorBoard 可视化学习曲线。如果你想在这里看到 ppt 或 jupyterNotebook 中完整的代码和说明，请随时查看 Github 存储库：https：／／github．com／lukenew2／learning＿rates＿and＿best＿practices。

审核编辑 黄昊宇