batch、batch_size、epoch、iteration简介

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batch_size、epoch、iteration是深度学习中常见的几个超参数:

(1)batchsize每批数据量的大小。DL通常用SGD的优化算法进行训练,也就是一次(1 个iteration)一起训练batchsize个样本,计算它们的平均损失函数值,来更新参数。

(2)iteration:1个iteration即迭代一次,也就是用batchsize个样本训练一次

(3)epoch:1个epoch指用训练集中的全部样本训练一次,此时相当于batchsize 等于训练集的样本数。

最初训练DNN采用一次对全体训练集中的样本进行训练(即使用1个epoch),并计算一次损失函数值,来更新一次权值。当时数据集较小,该方法尚可。后来随着数据集迅速增大,导致这种方法一次开销大进而占用内存过大,速度过慢。

后来产生了一次只训练一个样本的方法(batchsize=1),称作在线学习。该方法根据每一个样本的情况更新一次权值,开销小速度快,但收到单个样本的巨大随机性,全局来看优化性能较差,收敛速度很慢,产生局部震荡,有限迭代次数内很可能无法收敛。

目前常用随机梯度下降SGD来训练,相当于上述两个“极端”方法的折中:将训练集分成多个mini_batch(即常说的batch),一次迭代训练一个minibatch(即batchsize个样本),根据该batch数据的loss更新权值。这相比于全数据集训练,相当于是在寻找最优时人为增加了一些随机噪声,来修正由局部数据得到的梯度,尽量避免因batchsize过大陷入局部最优。

这种方法存在两对矛盾。由于一次只分析的一小部分数据,因此整体优化效果与batchsize有关:

batchsize越小,一个batch中的随机性越大,越不易收敛。然而batchsize越小,速度越快,权值更新越频繁;且具有随机性,对于非凸损失函数来讲,更便于寻找全局最优。从这个角度看,收敛更快,更容易达到全局最优。

batchsize越大,越能够表征全体数据的特征,其确定的梯度下降方向越准确,(因此收敛越快),且迭代次数少,总体速度更快。然而大的batchsize相对来讲缺乏随机性,容易使梯度始终向单一方向下降,陷入局部最优;而且当batchsize增大到一定程度,再增大batchsize,一次batch产生的权值更新(即梯度下降方向)基本不变。因此理论上存在一个最合适的batchsize值,使得训练能够收敛最快或者收敛效果最好(全局最优点)。

根据现有的调参经验,加入正则化项BN后,在内存容量允许的情况下,一般来说设置一个较大的batchsize值更好,通常从128开始调整。

这里写图片描述

当然,包括超参数对网络优化的影响在内的许多关于的DL理论尚不成熟,大多处在依靠实验尝试、观察、归纳总结的阶段。

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