中國博士生提出最先進AI訓練優化器，收斂快精度高，網友親測：Adam可以退休了

魚羊 栗子 2019-08-16 13:17:51 來源：量子位

栗子 魚羊 曉查 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

找到一種快速穩定的優化算法，是所有AI研究人員的目標。

但是魚和熊掌不可兼得。Adam、RMSProp這些算法雖然收斂速度很快，當往往會掉入局部最優解的“陷阱”；原始的SGD方法雖然能收斂到更好的結果，但是訓練速度太慢。

最近，一位來自UIUC的中國博士生Liyuan Liu提出了一個新的優化器RAdam。

它兼有Adam和SGD兩者的優點，既能保證收斂速度快，也不容易掉入局部最優解，而且收斂結果對學習率的初始值非常不敏感。在較大學習率的情況下，RAdam效果甚至還優于SGD。

RAdam意思是“整流版的Adam”（Rectified Adam），它能根據方差分散度，動態地打開或者關閉自適應學習率，并且提供了一種不需要可調參數學習率預熱的方法。

一位Medium網友Less Wright在測試完RAdam算法后，給予了很高的評價：

RAdam可以說是最先進的AI優化器，可以永遠取代原來的Adam算法了。

目前論文作者已將RAdam開源，FastAI現在已經集成了RAdam，只需幾行代碼即可直接調用。

補眾家之短

想造出更強的優化器，就要知道前輩們的問題出在哪：

像Adam這樣的優化器，的確可以快速收斂，也因此得到了廣泛的應用。

但有個重大的缺點是不夠魯棒，常常會收斂到不太好的局部最優解 (Local Optima) ，這就要靠預熱?(Warmup)來解決——

最初幾次迭代，都用很小的學習率，以此來緩解收斂問題。

為了證明預熱存在的道理，團隊在IWSLT’14德英數據集上，測試了原始Adam和帶預熱的Adam。

結果發現，一把預熱拿掉，Transformer語言模型的訓練復雜度 (Perplexity) ，就從10增到了500。

另外，BERT預訓練也是差不多的情況。

為什么預熱、不預熱差距這樣大？團隊又設計了兩個變種來分析：

缺乏樣本，是問題根源

一個變種是Adam-2k：

在前2000次迭代里，只有自適應學習率是一直更新的，而動量 (Momentum) 和參數都是固定的。除此之外，都沿襲了原始Adam算法。

實驗表明，在給它2000個額外的樣本來估計自適應學習率之后，收斂問題就消失了：

另外，足夠多的樣本可以避免梯度分布變扭曲 (Distorted) ：

這些發現證明了一點：早期缺乏足夠數據樣本，就是收斂問題的根源。

下面就要證明，可以通過降低自適應學習率的方差來彌補這個缺陷。

降低方差，可解決問題

一個直接的辦法就是：

把ψ-cap里面的?增加。假設ψ-cap(. ) 是均勻分布，方差就是1/12?^2。

這樣就有了另一個變種Adam-eps。開始把?設成一個可以忽略的1×10^-8，慢慢增加，到不可忽略的1×10^-4。

從實驗結果看，它已經沒有Adam原本的收斂問題了：

這就證明了，真的可以通過控制方差來解決問題。另外，它和Adam-2k差不多，也可以避免梯度分布扭曲。

然而，這個模型表現比Adam-2k和帶預熱的Adam差很多。

推測是因為?太大，會給自適應學習率帶來重大的偏差 (Bias) ，也會減慢優化的過程。

所以，就需要一個更加嚴格的方法，來控制自適應學習率。

論文中提出，要通過估算自由度ρ來實現量化分析。

RAdam定義

RAdam算法的輸入有：步長α_t；衰減率{β₁, β₂}，用于計算移動平均值和它的二階矩。

輸出為θ_t。

首先，將移動量的一階矩和二階矩初始化為m₀，v₀，計算出簡單移動平均值（SMA）的最大長度ρ_∞←2/(1-β₂)-1。

然后按照以下的迭代公式計算出：第t步時的梯度g_t，移動量的二階矩v_t，移動量的一階矩m_t，移動偏差的修正和SMA的最大值ρ_t。

如果ρ_∞大于4，那么，計算移動量二階矩的修正值和方差修正范圍：

如果ρ_∞小于等于4，則使用非自適應動量更新參數：

以上步驟都完成后，得出T步驟后的參數θ_T。

測試結果

RAdam在圖像分類任務CIFAR-10和ImageNet上測試的結果如下：

盡管在前幾個周期內整流項使得RAdam比Adam方法慢，但是在后期的收斂速度是比Adam要更快的。

盡管RAdam在測試精度方面未能超越SGD，但它可以帶來更好的訓練性能。

此外，RAdam算法對初始學習率是具有魯棒性的，可以適應更寬范圍內的變化。在從0.003到0.1一個很寬的范圍內，RAdam表現出了一致的性能，訓練曲線末端高度重合。

親測過的網友Less Wright說，RAdam和他今年測試的許多其它論文都不一樣。

其他方法常常是在特定數據集上有良好的效果，但是放在新的數據集上往往表現不佳。

而RAdam在圖像分類、語言建模，以及機器翻譯等等許多任務上，都證明有效。

(也側面說明，機器學習的各類任務里，廣泛存在著方差的問題。)

Less Wright在ImageNette上進行了測試，取得了相當不錯的效果（注：ImageNette是從ImageNet上抽取的包含10類圖像的子集）。在5個epoch后，RAdam已經將準確率快速收斂到86%。

如果你以為RAdam只能處理較小數據集上的訓練，或者只有在CNN上有較好的表現就大錯特錯了。即使大道有幾十億個單詞的數據集的LSTM模型，RAdam依然有比Adam更好的表現。

總之，RAdam有望提供更好的收斂性、訓練穩定性，以及幾乎對所有AI應用都用更好的通用性。

關于作者

論文的作者Liyuan Liu是一位90后，本科畢業于中國科學技術大學，曾在微軟亞洲研究院實習。而這項工作，也得益于與微軟的合作。

早在本科期間，Liyuan Liu就師從國家杰出青年基金獲得者，中科大陳恩紅教授，以第一作者的身份在ICDM發表過文章。

2016年，Liyuan Liu小哥本科畢業，加入了美國伊利諾伊大學香檳分校數據挖掘小組（DMG），成為美國計算機協會和IEEE院士韓家煒教授課題組的一名CS博士，從事NLP研究。

讀博以來，Liyuan Liu開始在各大頂會上嶄露頭角。在2018年NLP領域國際頂會EMNLP當中，他的一作論文《Efficient Contextualized Representation: Language Model Pruning for Sequence Labeling》就被收錄為口頭報告。

又是一位閃閃發光的少年英才啊。

論文地址：

https://arxiv.org/abs/1908.03265v1

源代碼：

https://github.com/LiyuanLucasLiu/RAdam

— 完 —