深度學習—1cycle策略：實踐中的學習率設定應該是先增再降

本文轉載自機器之心Pro，以作為該段時間的學習記錄

深度模型中的學習率及其相關參數是最重要也是最難控制的超參數，本文將介紹 Leslie Smith 在設置超參數（學習率、動量和權重衰減率）問題上第一階段的研究成果。具體而言，Leslie Smith 提出的 1cycle 策略可以令複雜模型的訓練迅速完成。它表示在 cifar10 上訓練 resnet-56 時，通過使用 1cycle，能夠在更少的迭代次數下，得到和原論文相比相同、甚至更高的精度。

通過採用大學習率，我們可以在 70 個 epoch、不到 7000 次的迭代中，訓練出準確率達到 93% 的模型（作為對比，原論文的訓練共有約為 360 個 epoch、64000 次迭代）。

Jupyter Notebook記錄了所有的相關實驗。實驗中使用了和原論文相同的數據擴張：我們對圖片進行了隨機水平翻轉；除此之外，我們在圖片每邊加入了4像素的填充，並進行隨機裁剪。這裡我們做出了一點小調整：我們沒有使用黑色的填充像素，而是使用了反射填充（reflection padding),因為fastai支持實現這種方式。 這個調整也許能解釋為什麼我們在使用和 Leslie 相同的超參數進行實驗時，得到了比他稍好的結果。

大學習率

可以通過這篇文章學習如何實現Learning Rate Finder，這裡簡述如下：在開始訓練模型的同時，從低到高地設置 學習率，直到損失（loss）變得失控為止。然後將損失和學習率畫在一張圖中，在損失持續下降、即將達到最小值前的範圍上取一個值作為學習率。下例中，可以在 10^-2 到 3×10^-2 之間任意取一個值。

這裡的思想和 Leslie 是一致的，他在論文中提出了一個很好的訓練方法。

Leslie 建議，用兩個等長的步驟組成一個 cycle：從很小的學習率開始，慢慢增大學習率，然後再慢慢降低回最小值。最大學習率應該根據 Learning Rate Finder 來確定，最小值則可以取最大值的十分之一。這個 cycle 的長度應該比總的 epoch 次數略小，在訓練的最後階段，可以將學習率降低到最小值以下幾個數量級。

從小學習率開始訓練模型並不新穎：使用較小的學習率來預熱訓練是一種常用的方法，這也正是 Leslie 第一階段的研究目標。Leslie 並不建議直接從大學習率開始，相反，他認為應該從低到高，緩慢地線性提升學習率，然後再用相同的時間緩慢地降低回來。

Leslie 在實驗中發現，在這個 cycle 的中間階段，大學習率的效果類似於正則方法，可以抑制神經網絡的過擬合。這是因為大學習率更偏好損失函數上相對平緩的極小值，而防止模型收斂到一個陡峭區域上。在 Leslie 的另一篇論文中，他通過使用 1cycle，發現近似 Hessian 的方法會有更小的學習率，這意味着 SGD 搜索的是一個更平坦的區域。

在訓練的最後階段，通過降低學習率直到徹底消失，可以得到損失函數平滑區域中相對陡峭的局部極小值。

上圖中，在 0 ~ 41 個 epoch 中，學習率從 0.08 提升到 0.8，在隨後的 41 ~ 82 個 epoch 中，學習率降回 0.08，在最後的幾次 epoch 中，學習率降低到 0.08 的百分之一。可以看到，在高學習率階段（基本是 20 ~ 60 個 epoch），驗證損失表現得相對不穩定。但重要的是，平均而言，訓練誤差和驗證誤差之間的距離並沒有增大。只有在 cycle 的最後階段，學習率接近為 0 時，才真正的出現了過擬合。

令人驚訝的是，通過 1cycle，我們甚至可以使用更高的最大學習率，即在根據 Learning Rate Finder 得到的圖中，更接近曲線最低點。這種訓練會相對更加危險，因為損失可能會騙你太遠，以至於出現嚴重的偏差；這時，在採用更低的學習率前，可以嘗試使用更長的 cycle：更長的預熱過程應該會有所幫助。

上圖中，在 0 ~ 22.5 個 epoch 中，學習率從 0.15 增加到 3；在 22.5~45 個 epoch 中降回到 0.15，在最後的幾次 epoch 中，學習率降低到 0.15 的百分之一。通過使用這些非常高的學習率，學習完成得更快，同時也防止了過擬合。訓練誤差和驗證誤差之間的差距一直保持在很低的水平，直到學習率接近為 0。通過使用 1cycle 策略，可以僅僅經過 50 次 epoch，就在 cifar10 上訓練出一個準確率 92.3% 的 resnet-56；我們可以利用包含 70 個 epoch 的 cycle 得到 93% 的準確率。

作為對比，下圖展示了使用更小的 cycle 以及更長收斂階段的結果：

在這裡，學習率變化的兩個步驟在 42 個 epoch 中結束，剩下的訓練過程中使用緩慢遞減的學習率。這時驗證誤差不再下降，進而出現了越來越嚴重的過擬合現象，同時，準確率基本沒有提升。

周期性動量

Leslie 在實驗中還發現，在增大學習率的同時降低動量，可以得到更好的訓練結果。這也印證了一個直覺：在訓練中，我們希望 SGD 可以迅速調整到搜索平坦區域的方向上，因此就應該對新的梯度賦予更大的權重。Leslie 建議，在真實場景中，可以選取如 0.85 和 0.95 的兩個值，在增大學習率的時候，將動量從 0.95 降到 0.85，在降低學習率的時候，再將動量重新從 0.85 提升回 0.95。

據 Leslie 表示，使用根據完整訓練選取的最優動量，也可以得到相同的最終結果；但使用周期性動量時，我們不需要浪費時間去設立多個動量參數，然後進行多次完整訓練來尋找最優值。

雖然使用周期性動量確實能得到稍好的訓練結果，但我並沒有復現出 Leslie 論文中使用常動量值和使用周期性動量時的差異。

其他參數的影響

在訓練中，調節模型其他超參數的方式也會影響最優學習率。因此在使用 Learning Rate Finder 時，一定要保證訓練是在相同條件下完成的。例：不同的 batch 大小或權重衰減對結果的影響如下。

可以利用這個性質來設置一些超參數，如去做那種衰減率：Leslie 建議，可以在幾組權重衰減率上運行 Learning Rate Finder，在能夠接受使用高最大學習率進行訓練的結果中，選擇最大的一個。我們實驗中選擇的是 10^-4。

Leslie 認為，在內存可接受範圍內，batch 越大越好。而其他可能包含的超參數（如 drop-out）則可以通過和權重衰減相同的方法來調節，或者直接根據一次 cycle 的結果來判斷效果。但無論如何——尤其是當你決定採用一個接近最大可能值的激進學習率時——一定要記住重跑 Learning Rate Finder。

高學習率的 1cycle 策略本身就是一種正則方法，所以在使用 1cycle 時，自然需要減少一些其他形式的常用正則項。但同它們相比，1cycle 的效率相對更高，因為在相當長的訓練中，我們都使用了高學習率。

更多相關學習可以參考論文：A disciplined approach to neural network hyper-parameters: Part 1 — learning rate, batch size, momentum, and weight decay

摘要：儘管近年以來，深度學習已經在圖像、語音、視頻處理的應用場景中取得了令人矚目的成功，但絕大部分訓練所使用的超參數都是非最優的，因此不必要的延長了訓練時間。時至今日，超參數設置依然像一種魔法，需要依賴多年經驗來完成。本文提出了一些設置超參數的高效方法，可以顯著減少所需的訓練時間，並提升模型的表現效果。具體而言，本文展示了如何檢測出訓練在驗證/測試損失函數上輕微的欠擬合或過擬合，並給出了逼近最優平衡點的指導建議。在接下來的部分，本文討論了如何通過增加/減少學習率/動量來加速訓練過程。試驗結果表明，在每個數據集和架構上平衡正則的各個方面極其重要。我們以權重衰減作為正則項為例，展示了其最優值和學習率及動量間的緊密聯繫。