神经网络的正则项怎么添加 神经网络 正则项

文章目录

• 1. 正则化描述：
• 2. 正则化作用：
• 3. L1正则化作用的原理解释

• 3.1 何为稀疏矩阵
• 3.2 L1正则化是怎么做到产生稀疏模型的？
• 3.3 L2正则化是怎么做到防止模型过拟合的？
• 3.4 对于w越小越能防止过拟合的理解
• 3.5 L1正则先验分布是Laplace分布，L2正则先验分布是Gaussian分布

• 3.5.1 基于约束条件的最优化

• 3.5.2 基于最大后验概率估计

• 最大后验概率估计的补充知识及理解

有时候在求解规划问题时，我们想要让得到的解满足一定的条件，换句话说，如果得到的解不能满足一定的条件我们更加倾向于拒绝它，而且这种倾向还是比较大的。这种情况在实际应用中比较常见，比如在准备出去旅行时，我们肯定不太希望背包里面放置特别重的东西，这时候就可以加一个条件，如果物品的重量大于一个给定的临界值，那么它的价值将大大降低，而这种大大降低可以通过给其添加一个很大的系数实现。

同样的，在求解神经网络损失函数的最小值时，我们希望自变量权重向量$w$满足一定的条件，如果不满足，就给其狠狠地惩罚一下。这时候我们就会在损失函数后面添加一个惩罚项，而这种惩罚项常为两种，我们分别称之为L1正则项和L2正则项，也称为L1范数和L2范数（原因见正则化描述部分）。正则项可以看做是损失函数的惩罚项，用来对损失函数中的系数做一些限制。

1. 正则化描述：

• L1正则化是指权值向量w中各个元素的绝对值之和，也就是权值向量的1范数;
• L2正则化是指权值向量w中各个元素的平方和然后再求平方根，同样也是权值向量的2范数;

一般都会在正则化项之前添加一个系数，这个系数需要用户设定，系数越大，正则化作用越明显，也即惩罚越明显。

2. 正则化作用：

• L1正则化可以产生稀疏权值矩阵，即产生一个稀疏模型，可以用于特征选择；一定程度上，L1也可以防止过拟合;
• L2正则化可以防止模型过拟合（overfitting）;

3. L1正则化作用的原理解释

3.1 何为稀疏矩阵

稀疏矩阵指的是很多元素为0，只有少数元素是非零值的矩阵。

神经网络中输入的特征数量是庞大的，如何选取有效的特征进行分类是神经网络的重要任务之一，如果神经网络是一个稀疏模型，表示只有少数有效的特征（系数非0）可以通过网络，绝大多数特征会被滤除（系数为0），这些被滤除的特征就是对模型没有贡献的“无关”特征，而少数系数是非0值的特征是我们需要额外关注的有效特征。也就是说，稀疏矩阵可以用于特征选择。

3.2 L1正则化是怎么做到产生稀疏模型的？

假设有如下带L1正则化的损失函数：

$Loss = Loss_0 + αL1$

$Loss_0$ 是原始损失函数，L1是加的正则化项，$α$ 是正则化系数，其中 L1 是 模型中权重 $w$

神经网络训练的目标就是通过随机梯度下降等方法找到损失函数$Loss$的最小值，加了L1之后，相当于对原始$Loss_0$做了一个约束，即在 L1 约束下求$Loss_0$

对于最简单的情况，假设模型中只有两个权值 w1 和 w2 ，对于梯度下降法，可以分别画出求解 $Loss_0$

等值线是说在等值线上任一点处（取不同的w1和w2组合），模型计算的结果都是一样的。

图中彩色弧线是$Loss_0$的等值线，黑色方框是 L1的等值线。在图中，当$Loss_0$等值线与L1图形首次相交的地方就是一个最优解，这个相交的点刚好是L1的顶点。

注意到L1函数有很多个突出的点，二维情况下有4个，维数越多顶点越多，这些突出的点会比线段上的点有更大的几率首先接触到$Loss_0$的等值线，而这些顶点正好对应有很多权值为0的矩阵， 即稀疏矩阵，这也就是为什么L1正则化可以用来产生稀疏矩阵进而用来进行特征选择的原因。

对于L1正则化前的系数$α$，是用来控制L1图形的大小，$α$越大，L1中各个系数就相对越小（因为优化目标之一是$αL1$的值趋近于0。$α$大，L1系数取值就会小），L1的图形就越小; $α$越小，L1中各个系数就相对越大，L1的图形就越大。

3.3 L2正则化是怎么做到防止模型过拟合的？

仍以最简单的模型，只有两个权重$w1$ 和 $w2$为例，$Loss_0$和L2分别对应的等值线形状如下图：

由于L2是$w1$和$w2$平方和再开方，所以L2的图形是一个圆。圆形相对方形来说没有顶点，$Loss_0$ 和 L2图形相交使得 $w1$或者$w2$等于的概率大大减小，所以L2正则化项不适合产生稀疏矩阵，不适合用来选择特征。

相对来说，模型中所有矩阵系数都比较小的模型具有更强的抗干扰能力，也就是说可以避免过拟合。对于这种小系数的模型，特征会乘以很小的系数，使得特征的波动被压缩，所以泛化能力更好。

L2正则化项的公式是所有权重系数平方之后再开方，所以在每次迭代过程中， 都会使得权重系数在满足最小化$Loss_0$的基础上，一步一步使得权重系数$w1$和$w2$趋向于0，最终得到权重系数很小的矩阵模型，达到防止过拟合的作用。

对于L1正则化项，如果$α$系数取很大，也会得到系数极小的最优解，这时的L1也具有防止过拟合的作用。

L1和L2中的$α$系数的作用是类似的，$α$系数越大，正则化作用越明显（但同时也可能意味着模型越难以收敛），从等值图上直观看就是L图形越小，对应矩阵系数越小。

3.4 对于$w$越小越能防止过拟合的理解

之前的BP神经网络，训练时候，算法会调整每层的参数$w$使得损失尽可能小，由于数据存在很多干扰或者噪声，容易产生过拟合现象，导致网络对训练数据预测的效果较好，而对测试和验证数据的预测效果较差。过拟合的决策面可能如下所示：

事实表明，在相同网络结构下，决策面越复杂，参数w的值往往更大，而w较小时候，得到的决策面相对平缓。L1和L2正则化是在原有损失函数中增加了L2正则化项，在优化网络输出与真值的误差时还要让w尽量小。

我的理解是，$w$越小，训练出来的模型就不会明显地倾向于某一方面，而是相对公平地进行加权。我们常说的过拟合就是明显的偏向于某一方面，因此从这个角度来理解的话$w$越小越能防止过拟合了。

3.5 L1正则先验分布是Laplace分布，L2正则先验分布是Gaussian分布

要理解这一个首先需要说明一下L1和L2的推导过程，它们的推导过程可以从两个角度：

• 带约束条件的优化求解（拉格朗日乘子法）
• 贝叶斯学派的：最大后验概率

3.5.1 基于约束条件的最优化

对于模型权重系数$w$的求解释通过最小化目标函数实现的，也就是求解：

首先，模型的复杂度可以用VC来衡量。通常情况下，模型VC维与系数$w$的个数成线性关系：即：

$w$数量越多，VC越大，模型越复杂

为了限制模型的复杂度，我们要降低VC，自然的思路就是降低$w$的数量，即：

让$w$向量中的一些元素为0或者说限制$w$中非零元素的个数。我们可以在原优化问题上加入一些优化条件：

其中约束条件中的$||w||_0$是指L0范数，表示的是向量$w$中非零元素的个数，让非零元素的个数小于某一个$C$，就能有效地控制模型中的非零元素的个数，但是这是一个NP问题，不好解，于是我们需要做一定的“松弛”。为了达到我们想要的效果（权重向量$w$中尽可能少的非零项），我们不再严格要求某些权重$w$为0，而是要求权重$w$向量中某些维度的非零参数尽可能接近于0，尽可能的小，这里我们可以使用L1L2范数来代替L0范数，即：

注意哈：这里使用L2范数的时候，为了后续处理（其实就是为了优化），可以对$\left \| w \right \|_{2}$进行平方，只需要调整$C$的取值即可。

然后我们利用拉式乘子法求解：

其中这里的$\alpha$是拉格朗日系数，$\alpha$>0，我们假设$\alpha$的最优解为$\alpha ^{*}$，对拉格朗日函数求最小化等价于：

上面和

等价。所以我们这里得到对L1L2正则化的第一种理解：

$L1正则化 \rightleftharpoons 在原优化目标函数中增加约束条件\left \| w \right \|_{1 }\leq C$

$L2正则化 \rightleftharpoons 在原优化目标函数中增加约束条件\left \| w \right \|{_{2}^{2}}\leq C$

3.5.2 基于最大后验概率估计

在最大似然估计中，是假设权重$w$是未知的参数，从而求得对数似然函数（取了log）：

从上式子可以看出：假设$y^{i}$的概率分布不同，就可以得到不同的模型。

若我们假设：

的高斯分布，我们就可以带入高斯分布的概率密度函数：

上面的C为常数项，常数项和系数不影响我们求解$max \ \ l(w)$的解，所以我们可以令

我们就得到了Linear Regursion的代价函数。

在最大化后验概率估计中，我们将权重$w$看做随机变量，也具有某种分布，从而有：(下面求的是$w$的后验概率)

同样取对数：

可以看出来后验概率函数为在似然函数的基础上增加了$logP(w)$，$P(w)$的意义是对权重系数$w$的概率分布的先验假设，在收集到训练样本$\{X,y\}$后，则可根据$w$在$\{X,y\}$下的后验概率对$w$进行修正，从而做出对$w$的更好地估计。

若假设$w_{j}$的先验分布为0均值的高斯分布，即

则有：

可以看到，在高斯分布下$\log P(w)$的效果等价于在代价函数中增加L2正则项。若假设$w_{j}$服从均值为0，参数为a的拉普拉斯分布，即：(这个拉普拉斯分布的概率密度有点问题)

则有：

可以看到，在拉普拉斯分布下logP(w)的效果等价在代价函数中增加L1正项。

故此，我们得到对于L1，L2正则化的第二种理解：

$L1正则化可通过假设权重w的先验分布为拉普拉斯分布，由最大后验概率估计导出。$

$L2正则化可通过假设权重w的先验分布为高斯分布，由最大后验概率估计导出。$

最大后验概率估计的补充知识及理解

最大后验概率的英文名为maximum a posterior prabability，简称为MAP

假设我们需要根据观察数据$x$ 估计没有观察到的总体参数$\theta$ ，让$f$ 作为$x$ 的采样分布，这样 $f(x|\theta)$就是总体参数为 $\theta$时的概率，同时也是似然函数，因此参数$\theta$的最大似然估计为

假设$\theta$存在一个先验分布 $g$，这就允许我们将$\theta$作为贝叶斯统计（en:Bayesian statistics）中的随机变量，这样的后验分布就是：

其中$\theta$是$g$的定义域(domain)，这是贝叶斯定理的直接应用。于是最大后验估计方法把$\theta$估计为这个随机变量的后验分布的众数(因为是将$\theta$估计为使其后验概率达到最大时的值，而最大值体现出来就是众数)：

后验分布的分母与$\theta$无关，所以在优化过程中不起作用。注意当前验$g$是常数函数时最大后验估计与最大似然估计重合。

补充说明：最大后验概率与最大似然估计中的经典方法有密切关系，但是它使用了一个增广的优化目标，进一步考虑了被估计量的先验概率分布。所以最大后验概率估计可以看作是规则化（regularization）的最大似然估计。