[人工智能]PyTorch 11.正则化

正则化

正则化即表示减少数据方差的策略

1. 误差可分解为：偏差，方差与噪声之和。即
   误差=偏差+方差+噪声
   偏差：度量了学习算法的期望预测与真实结果的偏离程度，即刻画了学习算法本身的拟合能力。
   方差：度量了同样大小的训练集的变动所导致的学习性能的变化，即刻画了数据扰动所造成的影响。
   噪声：表达了在当前任务上任何学习算法所能达到的期望泛化误差的下界。
2. nn.Dropout
   减轻神经元对某个特征的过度依赖，减少过拟合。
   随机：dropout probability
   失活：weight=0
   注意：测试时，所有权重应乘以1-drop_prob
3. Batch Normalization（一个batch中单个通道归一化）
   批:一批数据，通常为一个batch的大小
   标准化：均值为0，方差为1
   优点：
   可以用更大学习率，加速模型收敛
   可以不用精心设计权重初始化
   可以不用dropout或较小的dropout
   可以不用L2或者较小的weight decay
   可以不用LRN（local response normalization）

__init__(self,num_features,eps=1e-5,momentum=0.1,affine=True,tracking_running_stats=True)

参数：
num_features:样本特征数量
eps:分母修正项
momentum:指数加权平均估计当前mean/var
affine:是否需要affine transform
track running stats: 是训练状态，还是测试状态
在训练时，均值和方差是计算的一个batch的数量的样本，测试时，我们要逐一处理样本，方法是根据你的训练集估算均值和方差。
估算的方式：理论上可以在最终的网络中运行整个训练集得到均值和方差，但是在实际操作中，通常运用指数加权平均来追踪在训练过程中看到的均值和方差的值，然后用网络训练过程中得到的$\beta$和$\gamma$参数来计算测试样本
4. Layer Normalization (单个样本的归一化)
BN实际使用时需要计算并且保存某一层神经网络batch的均值和方差等统计信息，对于一个固定深度的前向神经网络使用BN，很方便；但是对于RNN来说，sequence长度是不一致的，换句话说RNN的深度是不固定的，不同的time-step需要保存不同的statics特征，可能存在一个特殊sequence比其他sequence长得多

nn.LayerNorm(
normalized_shape,
eps=1e-05,
elementwise_affine=True
)

主要参数：
normalized_shape:该层特征形状
eps:分母修正项
elementwise_affine:是否需要affine transform
LN中同层神经元输入拥有相同的均值的方差，不同的输入样本有不同的均值和方差；
BN中则针对不同神经元输入计算均值和方差，同一个batch中的输入拥有相同的均值和方差。

5. Instance Normalization(W,H 归一化)
   常见于图像生成，因为BN注重对每个batch进行归一化，保证数据分布一致，因为判别模型中结果取决于数据整体分布，但是图像风格化总，生成结果主要依赖于某个图像实例，所以对整个batch归一化不适合图像风格化中，因而对HW做归一化，可以加速模型收敛，并且保持每个图像实例之间的独立。

nn.InstanceNorm2d(
	num_features,
	eps=1e-05,
	momentum=0.1,
	affine-False,
	tracking_running_stats=False
)

主要参数：
num_features:一个样本特征数量
eps:分母修正项
momentum:指数加权平均估计当前mean/var
affine: 是否需要affine transform
track_running_stats: 是训练状态，还是测试状态

6. Group Normalization(G,W,H归一化)
   起因：小batch样本中，BN估计的值不准
   思路：数量不够，通道来凑
   注意事项：
   1 不再有running_mean和running_var
   2 $\gamma$和$\beta$为逐通道（channel）
   主要是针对BN对小batchsize效果差，GN将channel方向分组，然后每个组内做归一化

nn.GroupNorm(
num_groups,
num_channels,
eps=1e-05,
affine=True)