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CNN基础——如何设置BatchSize

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1、什幺是BatchSize Batch一般被翻译为批量,设置batch_size的目的让模型在训练过程中每次选择批量的数据来进行处理。一般机器学习或者深度学习训练过程中的目标函数可以简单理解为在每个训练集样本上得到的目标函数值的求和,然后根据目标函数的值进行权重值的调整,大部分时候是根据梯度下降法来进行参数更新的。

 

Batch Size的直观理解就是一次训练所选取的样本数。 Batch Size的大小影响模型的优化程度和速度。同时其直接影响到GPU内存的使用情况,假如你GPU内存不大,该数值最好设置小一点。

 

2、 为什幺需要 Batch_Size? 在没有使用Batch Size之前,这意味着网络在训练时,是一次把所有的数据(整个数据库)输入网络中,然后计算它们的梯度进行反向传播,由于在计算梯度时使用了整个数据库,所以计算得到的梯度方向更为准确。但在这情况下,计算得到不同梯度值差别巨大,难以使用一个全局的学习率,所以这时一般使用Rprop这种基于梯度符号的训练算法,单独进行梯度更新。 在小样本数的数据库中,不使用Batch Size是可行的,而且效果也很好。但是一旦是大型的数据库,一次性把所有数据输进网络,肯定会引起内存的爆炸。所以就提出Batch Size的概念。

 

3、 如何设置Batch_Size 的值? ​ 假如每次只训练一个样本,即 Batch_Size = 1。线性神经元在均方误差代价函数的错误面是一个抛物面,横截面是椭圆。对于多层神经元、非线性网络,在局部依然近似是抛物面。此时,每次修正方向以各自样本的梯度方向修正,横冲直撞各自为政,难以达到收敛。

 

​ 既然 Batch_Size 为全数据集或者Batch_Size = 1都有各自缺点,那幺如何设置一个合适的BatchSize呢? 这个和样本还有一定的关系,样本量少的时候会带来很大的方差,而这个大方差恰好会导致我们在梯度下降到很差的局部最优点(只是微微凸下去的最优点)和鞍点的时候不稳定,一不小心就因为一个大噪声的到来导致炸出了局部最优点。 与之相反的,当样本量很多时,方差很小,对梯度的估计要准确和稳定的多,因此反而在差劲的局部最优点和鞍点时反而容易自信的呆着不走了,从而导致神经网络收敛到很差的点上,跟出了bug一样的差劲。

 

batch的size设置的不能太大也不能太小,因此实际工程中最常用的就是mini-batch,一般size设置为几十或者几百。 对于二阶优化算法,减小batch换来的收敛速度提升远不如引入大量噪声导致的性能下降,因此在使用二阶优化算法时,往往要采用大batch哦。此时往往batch设置成几千甚至一两万才能发挥出最佳性能。 所以设置BatchSize要注意一下几点:

 

1)batch数太小,而类别又比较多的时候,真的可能会导致loss函数震荡而不收敛,尤其是在你的网络比较复杂的时候。

 

2)随着batchsize增大,处理相同的数据量的速度越快。

 

3)随着batchsize增大,达到相同精度所需要的epoch数量越来越多。

 

4)由于上述两种因素的矛盾, Batch_Size 增大到某个时候,达到时间上的最优。

 

5)由于最终收敛精度会陷入不同的局部极值,因此 Batch_Size 增大到某些时候,达到最终收敛精度上的最优。

 

6)过大的batchsize的结果是网络很容易收敛到一些不好的局部最优点。同样太小的batch也存在一些问题,比如训练速度很慢,训练不容易收敛等。

 

7)具体的batch size的选取和训练集的样本数目相关。

 

8)GPU对2的幂次的batch可以发挥更佳的性能,因此设置成16、32、64、128…时往往要比设置为整10、整100的倍数时表现更优

 

我在设置BatchSize的时候,首先选择大点的BatchSize把GPU占满,观察Loss收敛的情况,如果不收敛,或者收敛效果不好则降低BatchSize,一般常用16,32,64等。

 

4、在合理范围内,增大Batch_Size有何好处? 内存利用率提高了,大矩阵乘法的并行化效率提高。 跑完一次 epoch(全数据集)所需的迭代次数减少,对于相同数据量的处理速度进一步加快。 在一定范围内,一般来说 Batch_Size 越大,其确定的下降方向越准,引起训练震荡越小。 5、 盲目增大 Batch_Size 有何坏处? 内存利用率提高了,但是内存容量可能撑不住了。 跑完一次 epoch(全数据集)所需的迭代次数减少,要想达到相同的精度,其所花费的时间大大增加了,从而对参数的修正也就显得更加缓慢。 Batch_Size 增大到一定程度,其确定的下降方向已经基本不再变化。 6、调节 Batch_Size 对训练效果影响到底如何? Batch_Size 太小,模型表现效果极其糟糕(error飙升)。 随着 Batch_Size ,处理相同数据量的速度越快。 随着 Batch_Size 增大,达到相同精度所需要的 epoch 数量越来越多。 由于上述两种因素的矛盾, Batch_Size 增大到某个时候,达到时间上的最优。 由于最终收敛精度会陷入不同的局部极值,因此 Batch_Size 增大到某些时候,达到最终收敛精度上的最优。 7、为什幺说Batch size的增大能使网络的梯度更准确? 梯度的方差表示:

 

 

由于样本是随机选取的,满足独立同分布,所以所有样本具有相同的方差

 

 

所以上式可以简化成:

 

 

可以看出当Batch size为m时,样本的方差减少m倍,梯度就更准确了。

 

假如想要保持原来数据的梯度方差,可以增大学习率lrlr

 

 

这也说明batch size设置较大时,一般学习率要增大。但是lrlr的增大不是一开始就设置的很大,而是在训练过程中慢慢变大。

 

一个具体例子分析: 在分布式训练中,Batch size随着数据并行的workers增加而增大,假如baseline的Batch Size为BB,而学习率为lr,训练epoch为NN。假如保持baseline的lr,一般达不到很好的收敛速度和精度。 原因:对于收敛速度,假如有KK个workers,则每个批次为KBKB,因此一个epoch迭代的次数为baseline的1k,而学习率lr不变,所以要达到与baseline相同的收敛情况,epoch要增大。而根据上面公式,epoch最大需要增大KNKN个epoch,但一般情况下不需要增大那幺多。 对于收敛精度,由于Batch size的使用使梯度更准确,噪声减少,所以更容易收敛。

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