建神经网络模型，哪种优化算法更好？35000次测试告诉你丨图宾根大学出品
130种优化器，最早追溯到1964年
萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
想要优化自己的神经网络，却不知道哪种优化器更适合自己？
又或者，想知道深度学习中梯度下降的算法到底都有哪些？
现在，最全面的优化算法分析来了。
它整理了自1964年以来，几乎所有的优化方法 （约130种），将它们进行了分类。
此外，它还给出了几种基准测试方法，并用它分析了1344种可能的配置方案。
在运行了35000次测试后，它给出了非常全面的优化器算法分析介绍，并告诉你如何用这些基准测试，为自己的深度学习模型选择最好的优化方案。
优化方法具体都有哪几种？
从下图这份密密麻麻的图表来看，迄今为止，提出的优化算法已经有130种左右。
目前他们还看不出来区别，但在测试结果中可以发现，这些优化器明显能被分成两类，一种适用于VAE（变分自编码器），另一种则不适用于VAE。
而从这些优化器中的常用参数来看，α0表示初始学习率，αlo和αup代表上下界，∆t表示切换衰减样式的周期，k表示衰减因子。
可以看出，这些学习率的参数主要可以被分为常数、梯度下降、平滑下降、周期性、预热、超收敛等几种。
那么，130多种优化器，哪种才是最适用的？而对这些参数进行调整，到底能对优化器起到多大的作用？
用基准测试方法来测测，就知道了。
8种基准测试方法
如下图，作者提出了8种优化任务，在这些任务上面进行测试，以得到对比结果。
从图中看来，无论是数据集（MNIST、CIFAR-10等）、模型（VAE、CNN、RNN等），还是任务（分类、NLP等）和标准（损失率、精度）都不一样。
此外，batchsize也考虑在内（看来实验机器性能不错）。制作这些测试的目的在于，多角度考量出这些优化方法的合理性。
测试按照下图流程走，整体算下来，共有1344种配置，共运行接近35000次。
为了得知哪种优化方法更合适，这样做也是很拼了。
如何选择适合自己的优化方法？
那么，具体如何选择适合的优化方法呢？
下图是作者随机选取的14个优化器。
下图是这些优化器在上面8种基准测试下的表现结果。
其中，红色的I表示误差范围。可以看出，在一定误差范围内，某一类优化方法的性能几乎非常相似：它们在各种基准测试上的表现都不错。
为了验证这些测试方法的稳定性，作者特意对其中一些算法进行了参数调整，下图是经典算法RMSProp和RMSProp（2）的调优结果。
可见，不同的参数能给优化算法的性能带来不小的波动变化。
更直接地，如果增加（性能）预算，从下图可以看出，性能的改进也会有所增加。（图中橙色为所有灰线的中值）
也就是说，即使优化算法的性能不错，合理调参仍然不可或缺。
那么，到底有多少优化器存在“改进参数，竟然能大幅增加优化能力”的问题呢？
还不少。
从下图来看，绿色表示优化过后，优化算法能更好地运行。
换而言之，只要某种优化算法的结果是一片绿，那么它原来的默认参数就真的很糟糕……
例如，AMSGrad、Mom、NAG的默认参数都存在很大的改进空间。相比而言，AMSBound由于自适应，默认参数都还非常不错，不需要再有大改进。
对这些优化器进行评估后，研究者们得出以下几个结论：
1、优化器的性能，在不同的任务中有很大差异；
2、事实上，大部分优化器的性能惊人地相似，目前尚没有“最通用”的优化方法；
3、对优化器进行（参数）微调，其实和选择优化器一样重要、甚至更重要。
不过，虽然这份表格已经非常详细，还是有细心的网友发现了盲点：像SWA这样非常简单高效的方法，还是在分析时被遗漏了。
当然，就提出的几种基准测试来说，已经适合用于分析大部分优化器的选择方案。
目前，作者已经在ArXiv论文页面，开源了基准测试方法的Code，感兴趣的小伙伴可戳论文地址查看~
作者介绍
这几位作者都来自于德国图宾根大学。
Robin M. Schmidt，计算机专业研究生，主要研究方向是人工智能，感兴趣的方向在深度学习、强化学习及优化上。
Philipp Hennig，机器学习教授，兼任马普所科学家，曾于海德堡大学和帝国理工学院修读物理，并在剑桥大学获得机器学习博士学位。
Frank Schneider，机器学习博士生，研究领域是机器学习的优化方法。目前在钻研深度学习的超参数，使深度神经网络的训练自动化。
论文地址：
https://arxiv.org/abs/2007.01547
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