{ "cells": [ { "cell_type": "markdown", "metadata": {}, "source": [ "# AdaDelta算法\n", "\n", "除了RMSProp算法以外,另一个常用优化算法AdaDelta算法也针对AdaGrad算法在迭代后期可能较难找到有用解的问题做了改进 [1]。有意思的是,AdaDelta算法没有学习率这一超参数。\n", "\n", "## 算法\n", "\n", "AdaDelta算法也像RMSProp算法一样,使用了小批量随机梯度$\\boldsymbol{g}_t$按元素平方的指数加权移动平均变量$\\boldsymbol{s}_t$。在时间步0,它的所有元素被初始化为0。给定超参数$0 \\leq \\rho < 1$(对应RMSProp算法中的$\\gamma$),在时间步$t>0$,同RMSProp算法一样计算\n", "\n", "$$\\boldsymbol{s}_t \\leftarrow \\rho \\boldsymbol{s}_{t-1} + (1 - \\rho) \\boldsymbol{g}_t \\odot \\boldsymbol{g}_t. $$\n", "\n", "与RMSProp算法不同的是,AdaDelta算法还维护一个额外的状态变量$\\Delta\\boldsymbol{x}_t$,其元素同样在时间步0时被初始化为0。我们使用$\\Delta\\boldsymbol{x}_{t-1}$来计算自变量的变化量:\n", "\n", "$$ \\boldsymbol{g}_t' \\leftarrow \\sqrt{\\frac{\\Delta\\boldsymbol{x}_{t-1} + \\epsilon}{\\boldsymbol{s}_t + \\epsilon}} \\odot \\boldsymbol{g}_t, $$\n", "\n", "其中$\\epsilon$是为了维持数值稳定性而添加的常数,如$10^{-5}$。接着更新自变量:\n", "\n", "$$\\boldsymbol{x}_t \\leftarrow \\boldsymbol{x}_{t-1} - \\boldsymbol{g}'_t. $$\n", "\n", "最后,我们使用$\\Delta\\boldsymbol{x}_t$来记录自变量变化量$\\boldsymbol{g}'_t$按元素平方的指数加权移动平均:\n", "\n", "$$\\Delta\\boldsymbol{x}_t \\leftarrow \\rho \\Delta\\boldsymbol{x}_{t-1} + (1 - \\rho) \\boldsymbol{g}'_t \\odot \\boldsymbol{g}'_t. $$\n", "\n", "可以看到,如不考虑$\\epsilon$的影响,AdaDelta算法与RMSProp算法的不同之处在于使用$\\sqrt{\\Delta\\boldsymbol{x}_{t-1}}$来替代超参数$\\eta$。\n", "\n", "\n", "## 从零开始实现\n", "\n", "AdaDelta算法需要对每个自变量维护两个状态变量,即$\\boldsymbol{s}_t$和$\\Delta\\boldsymbol{x}_t$。我们按AdaDelta算法中的公式实现该算法。" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 1, "metadata": { "attributes": { "classes": [], "id": "", "n": "11" } }, "outputs": [], "source": [ "%matplotlib inline\n", "import d2ltorch as d2lt\n", "import torch\n", "from torch import optim\n", "\n", "features, labels = d2lt.get_data_ch7()\n", "\n", "def init_adadelta_states():\n", " s_w, s_b = torch.zeros(features.shape[1], 1), torch.zeros(1)\n", " delta_w, delta_b = torch.zeros(features.shape[1], 1), torch.zeros(1)\n", " return ((s_w, delta_w), (s_b, delta_b))\n", "\n", "def adadelta(params, states, hyperparams):\n", " rho, eps = hyperparams['rho'], 1e-5\n", " for p, (s, delta) in zip(params, states):\n", " s.data = rho * s.data + (1 - rho) * (p.grad.data ** 2)\n", " g = ((delta.data + eps).sqrt() / (s.data + eps).sqrt()) * p.grad.data\n", " p.data -= g.data\n", " delta.data = rho * delta.data + (1 - rho) * g.data * g.data\n", " p.grad.data.zero_()" ] }, { "cell_type": "markdown", "metadata": {}, "source": [ "使用超参数$\\rho=0.9$来训练模型。" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 2, "metadata": { "attributes": { "classes": [], "id": "", "n": "12" } }, "outputs": [ { "name": "stdout", "output_type": "stream", "text": [ "loss: 0.244901, 0.091154 sec per epoch\n" ] }, { "data": { "image/svg+xml": [ "\n", "\n", "\n", "\n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", "\n" ], "text/plain": [ "
" ] }, "metadata": { "needs_background": "light" }, "output_type": "display_data" } ], "source": [ "d2lt.train_ch7(adadelta, init_adadelta_states(), {'rho': 0.9}, features,\n", " labels)" ] }, { "cell_type": "markdown", "metadata": {}, "source": [ "## 简洁实现\n", "\n", "通过名称为“Adadelta”的`Optimizer`实例,我们便可使用PyTorch提供的AdaDelta算法。它的超参数可以通过`rho`来指定。" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 3, "metadata": { "attributes": { "classes": [], "id": "", "n": "9" } }, "outputs": [ { "name": "stdout", "output_type": "stream", "text": [ "loss: 0.256363, 0.076244 sec per epoch\n" ] }, { "data": { "image/svg+xml": [ "\n", "\n", "\n", "\n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", "\n" ], "text/plain": [ "
" ] }, "metadata": { "needs_background": "light" }, "output_type": "display_data" } ], "source": [ "d2lt.train_nn_ch7(optim.Adadelta, {'rho': 0.9}, features, labels)" ] }, { "cell_type": "markdown", "metadata": {}, "source": [ "## 小结\n", "\n", "* AdaDelta算法没有学习率超参数,它通过使用有关自变量更新量平方的指数加权移动平均的项来替代RMSProp算法中的学习率。\n", "\n", "## 练习\n", "\n", "* 调节AdaDelta算法中超参数$\\rho$的值,观察实验结果。\n", "\n", "\n", "\n", "## 参考文献\n", "\n", "[1] Zeiler, M. D. (2012). ADADELTA: an adaptive learning rate method. arXiv preprint arXiv:1212.5701.\n", "\n", "## 扫码直达[讨论区](https://discuss.gluon.ai/t/topic/2277)\n", "\n", "![](../img/qr_adadelta.svg)" ] } ], "metadata": { "kernelspec": { "display_name": "Python [conda env:pytorch]", "language": "python", "name": "conda-env-pytorch-py" }, "language_info": { "codemirror_mode": { "name": "ipython", "version": 3 }, "file_extension": ".py", "mimetype": "text/x-python", "name": "python", "nbconvert_exporter": "python", "pygments_lexer": "ipython3", "version": "3.6.9" } }, "nbformat": 4, "nbformat_minor": 4 }