3.正则化 - 七、dropout - 《AI算法工程师手册》

七、dropout

七、dropout

dropout：在前向传播过程中，对网络中的每个隐层，每个隐单元都以一定的概率被删除，最后得到一个规模更小的网络。在反向传播过程中，仅仅针对该小网络进行权重更新。
- 所谓的删除，即指定该该隐单元的输出都为 0。
  
  一旦隐单元的权重为0，则该隐单元对后续神经元的影响均为 0 。
- 输入层和输出层的神经元不会被删除，因为这两个层的神经元的数量是固定的。
  
  理论上可以对输入层应用dropout ，使得可以有机会删除一个或者多个输入特征。但实际工程中，通常不会这么做。
- 隐单元删除发生在一个训练样本的训练期间。
  - 不同的训练样本，其删除的隐单元的集合是不同的，因此裁剪得到的小网络是不同的。
  - 不同的训练样本，隐单元被删除的概率都是相同的。
  - 在不同batch 之间的同一个训练样本，其删除的隐单元的集合也是不同的。
- 在不同的梯度更新周期，会从完整的网络中随机删除不同的神经元，因此裁剪得到的小网络是不同的。
  
  但是在这个过程中，隐单元被删除的概率是相同的。
- 可以指定某一个隐层或者某几个隐层执行dropout，而没有必要针对所有的隐层执行dropout 。
- 可以对网络的每个隐单元指定不同的删除概率，但实际工程中，通常不会这么做。
定义一个掩码向量，它给出了哪些隐单元被保留哪些隐单元被删除：掩码为 0 的位置对应的隐单元被删除，掩码为1 的位置对应的隐单元被保留。

定义为参数和掩码共同定义的模型代价，dropout的目标是最小化。
- 这里采用期望，因为掩码向量是一个随机向量，对于每个训练样本都可能不同。
- 因为掩码向量具有指数多个，因此期望包含了指数多项。实际应用中，可以通过抽样来获得期望的无偏估计。

7.1 dropout 与 bagging

dropout可以视作集成了非常多的神经网络的bagging集成模型，这些网络包含了所有从基础网络中删除隐单元形成的子网络。

bagging涉及训练多个模型，并且在每个测试样本上评估多个模型。当每个模型都是一个大型神经网络时，这种bagging计算量非常庞大，实际不可行。

dropout提供了一种方便的bagging近似，它能够训练和评估指数级别的神经网络的集成。
dropout训练与bagging训练不同：
- bagging中，假设所有的子模型都是独立的。
  
  dropout中，所有的子模型是共享参数的，每个子模型继承了基础神经网络的不同子集。
  
  参数共享使得在有限的内存下训练指数数量的子模型变得可能。
- bagging中，每个子模型在其相应的训练集上训练到收敛。
  
  dropout中，大部分子模型都没有显式的被训练（因为指数量级的神经网络不可能被训练完成）。
  
  我们只是对子模型的某些部分训练单个step ，同时参数共享使得子模型的剩余部分能够有较好的参数值。

除此之外，二者相同。比如每个子模型使用的训练集是原始训练集的一个有放回重复采样而来。

7.2 模型推断

dropout 仅仅用于神经网络的训练阶段，在网络的测试阶段并不会删除神经元，而是使用所有的神经元。因为在测试期间，不希望输出是随机的。

如果在测试阶段使用dropout，则理论上需要运行多次dropout 测试过程，然后对输出结果取加权平均（或者几何平均）。这种做法的结果与不采用dropout 的测试结果相同，反而计算效率更低。
在dropout情况下，每个子模型的输出为概率分布，不同的掩码就定义了不同的子模型。

集成模型的输出由所有子模型输出的加权平均给出：

其中是训练时的概率分布。之所以不采用这种代数平均（k 为子模型数量），是因为掩码生成的概率不一定是均匀的。

上式包含了指数量级的项，不可能计算出来。但是可以通过采样来近似推断，即对多个掩码对应的输出进行平均。通常 10-20 个掩码就足以获取不错的表现。
除了子模型输出的加权平均之外，还可以采用几何平均：

其中为所有的可以被丢弃的单元的数量，其丢弃/保留组合有种。
- 这里采用的是均匀分布的（也可以采用非均匀分布），设丢弃和保留的概率都是。
- 多个概率分布的几何平均不一定是个概率分布，因此为了保证结果是一个概率分布，概率归一化为：
  
  其中要求：没有任何一个子模型给出所有事件的概率为都为 0 （否则会导致都为 0 ）。
实际应用中，并不需要直接求解。通常通过评估某个模型的来近似。该模型这样产生：该模型与dropout 的基础模型具有相同的单元；该模型单元输出的权重需要乘以保留该单元的概率。

这种策略叫做权重比例推断法则。目前这种做法在深度非线性网络上工作良好，但是没有任何理论上的证明。

7.3 示例

考虑softmax 单元。假设表示个输入变量，则有：。其中表示分类的类别，表示输出的第个分量。

假设给定掩码。其中，为二值随机变量：若它取值为 0 则表示输入被遗忘；若它取值为 1则表示输入被保留。且假设。

则：。其中表示逐元素的相乘。
softmax 单元的输出为：。其中：

化简上式：

其中表示矩阵的第列；表示向量点乘。

忽略对不变的项，有：
考虑，它就是。则有：

因此，softmax单元采用dropout的结果就是权重为的softmax 单元。
权重比例推断法在softmax 以外的情况也是精确的，但是它对于非线性的深度模型仅仅是一个近似。

虽然尚未有理论上的分析，但是在实践中往往效果非常好。

7.4 性质

dropout 不限制使用的模型或者训练过程，另外其计算非常方便。
- 训练过程中使用dropout 时，产生个随机二进制数与每个权重相乘。
  
  dropout 对于每个样本每次更新只需要的计算复杂度。根据需要也可能需要的存储空间来保存这些二进制数（直到反向传播阶段）。
- 在预测过程中，计算代价与不使用dropout是一样的。
dropout 的缺点是：代价函数不再被明确定义，因为每次迭代时都会随机移除一部分隐单元。
虽然dropout在模型训练的每一步上所做的工作是微不足道的（仅仅是随机地保留某些单元），但是在完整的训练结果上，该策略的效果非常显著。
dropout不仅是一种高效的近似bagging的方法，它还是共享隐单元的集成模型，它通过参数共享来实现bagging 。
- 这种参数共享策略不一定必须是包括和排除 （也就是二进制的 0 和1）。原则上任何一种随机的修改都可以接受。
- 随机向量可以具有任何形式，而不一定要求它是掩码向量（取值为 0/1）。
  
  Srivastava et al.(2014)表明：将权重乘以要比基于二值掩码dropout表现的更好。
  
  由于此时，则网络自动实现了集成方法的近似推断，因此不需要应用权重比例推断。
网络中的不同隐层的删除概率可以是变化的：
- 对于某些层，如果隐单元数量较少，过拟合的程度没有那么严重，则该层的值可以小一些。
- 对于一些层，如果隐单元数量较多，过拟合较严重，则该层的值可以较大。
- 对于一些层，如果不关心其过拟合问题，则该层的可以为 0 。
对一个隐层设定一个删除概率 p，意思是对该层中所有隐单元设定同一个删除概率p
使用dropout 有两点注意：
- 在训练期间如果对某个单元的输入神经元执行了dropout，则推断期间该单元的输出要进行调整。
  
  假设该单元的输出为，则需要调整为，从而保证不影响该单元的输出值。
- 在测试期间，不必使用dropout 。

7.5 dropout 与正则化

由于针对每个训练样本，训练的都是一个规模极小的网络，因此dropout 也是一种正则化策略，它减少了模型的有效容量effective capacity 。

为了抵抗模型有效容量的降低，必须增大模型的规模，此时需要更多的训练迭代次数。
- 对于非常大的数据集，dropout正则化带来的泛化误差减少得很小。此时使用dropout带来的更大模型的计算代价可能超过了正则化带来的好处。
- 对于极小的数据集，dropout 不会很有效。
除非模型发生过拟合，否则不要轻易使用dropout 。

因为计算机视觉领域通常缺少足够的数据，所以非常容易发生过拟合。因此dropout 在计算机视觉领域大量应用。
Srivastava et al.(2014)显示：dropout比其他标准的、计算开销较小的正则化项（如正则化）更加有效。

dropout也可以与其他形式的正则化合并，进一步提升模型的泛化能力。
dropout训练时随机丢弃隐单元：
- 这种随机性并不是产生正则化效果的必要条件，它仅是近似所有可能的子模型总和的一种方法。
- 这种随机性也不是产生正则化效果的充分条件。
  
  Warde-Farley et al.(2014)使用 dropout boosting策略（类似于boosting）设计了一个对照试验，结果表明dropout boosting几乎没有正则化的效果。
dropout 正则化效果主要来源于施加到隐单元的掩码噪声。这可以看作是对输入信息自适应破坏的一种形式。
- dropout 是对输入内容的某个结构进行了修改，而不是传统的噪声注入。
- dropout的噪声是乘性的，而传统的噪声注入是加性的。