一、DNN泛化能力的問題

論文主要探討的是， 為什么過(guò)參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型還能有不錯(cuò)的泛化性？即并不是簡(jiǎn)單記憶訓(xùn)練集，而是從訓(xùn)練集中總結(jié)出一個(gè)通用的規(guī)律，從而可以適配于測(cè)試集（泛化能力）。

以經(jīng)典的決策樹模型為例， 當(dāng)樹模型學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集的通用規(guī)律時(shí)：一種好的情況，假如樹第一個(gè)分裂節(jié)點(diǎn)時(shí)，剛好就可以良好區(qū)分開不同標(biāo)簽的樣本，深度很小，相應(yīng)的各葉子上面的樣本數(shù)是夠的（即統(tǒng)計(jì)規(guī)律的數(shù)據(jù)量的依據(jù)也是比較多的），那這會(huì)得到的規(guī)律就更有可能泛化到其他數(shù)據(jù)。（即：擬合良好， 有泛化能力）。

另外一種較差的情況，如果樹學(xué)習(xí)不好一些通用的規(guī)律，為了學(xué)習(xí)這個(gè)數(shù)據(jù)集，那樹就會(huì)越來(lái)越深，可能每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)著少數(shù)樣本（少數(shù)據(jù)帶來(lái)統(tǒng)計(jì)信息可能只是噪音），最后，死記硬背地記住所有數(shù)據(jù)（即：過(guò)擬合 無(wú)泛化能力）。我們可以看到過(guò)深（depth）的樹模型很容易過(guò)擬合。

那么過(guò)參數(shù)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何達(dá)到良好的泛化性呢？

二、 DNN泛化能力的原因

本文是從一個(gè)簡(jiǎn)單通用的角度解釋——在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的梯度下降優(yōu)化過(guò)程上，探索泛化能力的原因：

我們總結(jié)了梯度相干理論 ：來(lái)自不同樣本的梯度產(chǎn)生相干性，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有良好的泛化能力原因。當(dāng)不同樣本的梯度在訓(xùn)練過(guò)程中對(duì)齊良好，即當(dāng)它們相干時(shí)，梯度下降是穩(wěn)定的，可以很快收斂，并且由此產(chǎn)生的模型可以有良好的泛化性。否則，如果樣本太少或訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能無(wú)法泛化。

基于該理論，我們可以做出如下解釋。

2.1 寬度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化性

更寬的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有良好的泛化能力。這是因?yàn)椋鼘挼木W(wǎng)絡(luò)都有更多的子網(wǎng)絡(luò)，對(duì)比小網(wǎng)絡(luò)更有產(chǎn)生梯度相干的可能，從而有更好的泛化性。換句話說(shuō)，梯度下降是一個(gè)優(yōu)先考慮泛化（相干性）梯度的特征選擇器，更廣泛的網(wǎng)絡(luò)可能僅僅因?yàn)樗鼈冇懈嗟奶卣鞫哂懈玫奶卣鳌?/p>

• 論文原文：Generalization and width.  Neyshabur et al. [2018b] found that wider networks generalize better.  Can  we  now  explain  this?  Intuitively,  wider  networks  have  more  sub-networks  at any given level, and so the sub-network with maximum coherence in a wider network may be more coherent than its counterpart in a thinner network, and hence generalize better.  In other words,  since—as discussed in Section 10—gradient descent is a feature selector that prioritizes  well-generalizing  (coherent)  features,  wider  networks  are  likely  to  have  better features  simply  because  they  have  more  features.  In  this  connection,  see  also  the  Lottery Ticket Hypothesis [Frankle and Carbin, 2018]
• 論文鏈接：https://github.com/aialgorithm/Blog

但是個(gè)人覺得，這還是要區(qū)分下網(wǎng)絡(luò)輸入層/隱藏層的寬度。特別對(duì)于數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)的輸入層，由于輸入特征是通常是人工設(shè)計(jì)的，需要考慮下做下特征選擇（即減少輸入層寬度），不然直接輸入特征噪音，對(duì)于梯度相干性影響不也是有干擾的。

2.2 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化性

越深的網(wǎng)絡(luò)，梯度相干現(xiàn)象被放大，有更好的泛化能力。

在深度模型中，由于層之間的反饋加強(qiáng)了有相干性的梯度，存在相干性梯度的特征(W6)和非相干梯度的特征（W1）之間的相對(duì)差異在訓(xùn)練過(guò)程中呈指數(shù)放大。從而使得更深的網(wǎng)絡(luò)更偏好相干梯度，從而更好泛化能力。

2.3 早停（early-stopping）

通過(guò)早停我們可以減少非相干梯度的過(guò)多影響，提高泛化性。

在訓(xùn)練的時(shí)候，一些容易樣本比其他樣本（困難樣本）更早地?cái)M合。訓(xùn)練前期，這些容易樣本的相干梯度做主導(dǎo)，并很容易擬合好。訓(xùn)練后期，以困難樣本的非相干梯度主導(dǎo)了平均梯度g（wt），從而導(dǎo)致泛化能力變差，這個(gè)時(shí)候就需要早停。

• （注：簡(jiǎn)單的樣本，是那些在數(shù)據(jù)集里面有很多梯度共同點(diǎn)的樣本，正由于這個(gè)原因，大多數(shù)梯度對(duì)它有益，收斂也比較快。）

2.4  全梯度下降 VS  學(xué)習(xí)率

我們發(fā)現(xiàn)全梯度下降也可以有很好的泛化能力。此外，仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)表明隨機(jī)梯度下降并不一定有更優(yōu)的泛化，但這并不排除隨機(jī)梯度更易跳出局部最小值、起著正則化等的可能性。

• Based on our theory, finite learning rate, and mini-batch stochasticity are not necessary for generalization

我們認(rèn)為較低的學(xué)習(xí)率可能無(wú)法降低泛化誤差，因?yàn)檩^低的學(xué)習(xí)率意味著更多的迭代次數(shù)（與早停相反）。

• Assuming  a  small  enough  learning  rate,  as  training  progresses,  the  generalization  gap cannot  decrease.  This  follows  from  the  iterative  stability  analysis  of  training:  with 40 more  steps,  stability  can  only  degrade.  If  this  is  violated  in  a  practical  setting,  it  would point to an interesting limitation of the theory

2.5 L2、L1正則化

目標(biāo)函數(shù)加入L2、L1正則化，相應(yīng)的梯度計(jì)算， L1正則項(xiàng)需增加的梯度為sign(w) ，L2梯度為w。以L2正則為例，相應(yīng)的梯度W(i+1)更新公式為：圖片

我們可以把“L2正則化(權(quán)重衰減)”看作是一種“背景力”，可將每個(gè)參數(shù)推近于數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)的零值 （ L1容易得到稀疏解，L2容易得到趨近0的平滑解) ，來(lái)消除在弱梯度方向上影響。只有在相干梯度方向的情況下，參數(shù)才比較能脫離“背景力”，基于數(shù)據(jù)完成梯度更新。

2.6 梯度下降算法的進(jìn)階

• Momentum 、Adam等梯度下降算法

Momentum 、Adam等梯度下降算法，其參數(shù)W更新方向不僅由當(dāng)前的梯度決定，也與此前累積的梯度方向有關(guān)（即，保留累積的相干梯度的作用）。這使得參數(shù)中那些梯度方向變化不大的維度可以加速更新，并減少梯度方向變化較大的維度上的更新幅度，由此產(chǎn)生了加速收斂和減小震蕩的效果。

• 抑制弱梯度方向的梯度下降

我們可以通過(guò)優(yōu)化批次梯度下降算法，來(lái)抑制弱梯度方向的梯度更新，進(jìn)一步提高了泛化能力。比如，我們可以使用梯度截?cái)啵╳insorized gradient descent），排除梯度異常值后的再取平均值。或者取梯度的中位數(shù)代替平均值，以減少梯度異常值的影響。

小結(jié)

文末說(shuō)兩句，對(duì)于深度學(xué)習(xí)的理論，有興趣可以看下論文提及的相關(guān)研究。