建神經網絡模型，哪種優化算法更好？35000次測試告訴你丨圖賓根大學出品
130種優化器，最早追溯到1964年
蕭簫 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
想要優化自己的神經網絡，卻不知道哪種優化器更適合自己？
又或者，想知道深度學習中梯度下降的算法到底都有哪些？
現在，最全面的優化算法分析來了。
它整理了自1964年以來，幾乎所有的優化方法?（約130種），將它們進行了分類。
此外，它還給出了幾種基準測試方法，并用它分析了1344種可能的配置方案。
在運行了35000次測試后，它給出了非常全面的優化器算法分析介紹，并告訴你如何用這些基準測試，為自己的深度學習模型選擇最好的優化方案。
優化方法具體都有哪幾種？
從下圖這份密密麻麻的圖表來看，迄今為止，提出的優化算法已經有130種左右。
目前他們還看不出來區別，但在測試結果中可以發現，這些優化器明顯能被分成兩類，一種適用于VAE（變分自編碼器），另一種則不適用于VAE。
而從這些優化器中的常用參數來看，α0表示初始學習率，αlo和αup代表上下界，?t表示切換衰減樣式的周期，k表示衰減因子。
可以看出，這些學習率的參數主要可以被分為常數、梯度下降、平滑下降、周期性、預熱、超收斂等幾種。
那么，130多種優化器，哪種才是最適用的？而對這些參數進行調整，到底能對優化器起到多大的作用？
用基準測試方法來測測，就知道了。
8種基準測試方法
如下圖，作者提出了8種優化任務，在這些任務上面進行測試，以得到對比結果。
從圖中看來，無論是數據集（MNIST、CIFAR-10等）、模型（VAE、CNN、RNN等），還是任務（分類、NLP等）和標準（損失率、精度）都不一樣。
此外，batchsize也考慮在內（看來實驗機器性能不錯）。制作這些測試的目的在于，多角度考量出這些優化方法的合理性。
測試按照下圖流程走，整體算下來，共有1344種配置，共運行接近35000次。
為了得知哪種優化方法更合適，這樣做也是很拼了。
如何選擇適合自己的優化方法？
那么，具體如何選擇適合的優化方法呢？
下圖是作者隨機選取的14個優化器。
下圖是這些優化器在上面8種基準測試下的表現結果。
其中，紅色的I表示誤差范圍。可以看出，在一定誤差范圍內，某一類優化方法的性能幾乎非常相似：它們在各種基準測試上的表現都不錯。
為了驗證這些測試方法的穩定性，作者特意對其中一些算法進行了參數調整，下圖是經典算法RMSProp和RMSProp（2）的調優結果。
可見，不同的參數能給優化算法的性能帶來不小的波動變化。
更直接地，如果增加（性能）預算，從下圖可以看出，性能的改進也會有所增加。（圖中橙色為所有灰線的中值）
也就是說，即使優化算法的性能不錯，合理調參仍然不可或缺。
那么，到底有多少優化器存在“改進參數，竟然能大幅增加優化能力”的問題呢？
還不少。
從下圖來看，綠色表示優化過后，優化算法能更好地運行。
換而言之，只要某種優化算法的結果是一片綠，那么它原來的默認參數就真的很糟糕……
例如，AMSGrad、Mom、NAG的默認參數都存在很大的改進空間。相比而言，AMSBound由于自適應，默認參數都還非常不錯，不需要再有大改進。
對這些優化器進行評估后，研究者們得出以下幾個結論：
1、優化器的性能，在不同的任務中有很大差異；
2、事實上，大部分優化器的性能驚人地相似，目前尚沒有“最通用”的優化方法；
3、對優化器進行（參數）微調，其實和選擇優化器一樣重要、甚至更重要。
不過，雖然這份表格已經非常詳細，還是有細心的網友發現了盲點：像SWA這樣非常簡單高效的方法，還是在分析時被遺漏了。
當然，就提出的幾種基準測試來說，已經適合用于分析大部分優化器的選擇方案。
目前，作者已經在ArXiv論文頁面，開源了基準測試方法的Code，感興趣的小伙伴可戳論文地址查看~
作者介紹
這幾位作者都來自于德國圖賓根大學。
Robin M. Schmidt，計算機專業研究生，主要研究方向是人工智能，感興趣的方向在深度學習、強化學習及優化上。
Philipp Hennig，機器學習教授，兼任馬普所科學家，曾于海德堡大學和帝國理工學院修讀物理，并在劍橋大學獲得機器學習博士學位。
Frank Schneider，機器學習博士生，研究領域是機器學習的優化方法。目前在鉆研深度學習的超參數，使深度神經網絡的訓練自動化。
論文地址：
https://arxiv.org/abs/2007.01547
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