深度學(xué)習(xí)的雙下降現(xiàn)象解答

作者：Preetum Nakkiran，Gal Kaplun，Yamini Bansal，Tristan Yang，Boaz Barak，Ilya Sutskever

編譯：ronghuaiyang

導(dǎo)讀

深度學(xué)習(xí)中的雙下降現(xiàn)象，可能大家也遇到過，但是沒有深究，OpenAI這里給出了他們的解答。

我們展示了 CNN，ResNet 以及 transformers 中的雙下降現(xiàn)象，隨著模型的尺寸，數(shù)據(jù)集的大小以及訓(xùn)練時(shí)間的增加，performance 先提升，然后變差，然后再次提升。這種效果通?？梢酝ㄟ^仔細(xì)的正則化來避免。雖然這種行為似乎是相當(dāng)普遍的，但我們還沒有完全理解它為什么會(huì)發(fā)生，并把對這種現(xiàn)象的進(jìn)一步研究作為一個(gè)重要的研究方向。

論文：https://arxiv.org/abs/1912.02292

包括 CNNs、ResNets、transformer 在內(nèi)的許多現(xiàn)代深度學(xué)習(xí)模型，在不使用 early stopping 或正則化時(shí)，都表現(xiàn)出之前觀察到的雙下降現(xiàn)象。峰值發(fā)生在一個(gè)可以預(yù)見的“特殊的時(shí)刻”，此時(shí)模型剛好可以去擬合訓(xùn)練集。當(dāng)我們增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的數(shù)量，剛開始的時(shí)候，測試誤差減少，然后會(huì)增加，而且，模型開始能夠擬合訓(xùn)練集，進(jìn)行了第二次下降。

傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)家認(rèn)為“模型越大越糟”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，以及“模型越大越好”的現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)范式，都沒有得到支持。我們發(fā)現(xiàn)雙下降也發(fā)生在訓(xùn)練過程中。令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)越多效果越差，此時(shí)在更大的訓(xùn)練集上訓(xùn)練一個(gè)深層網(wǎng)絡(luò)的效果實(shí)際上更差。

模型的雙下降

1. 在一段時(shí)間內(nèi)，模型越大效果越差。

模型的雙下降現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致對更多數(shù)據(jù)的訓(xùn)練效果越差。在上面的圖中，測試誤差的峰值出現(xiàn)在插值閾值附近，此時(shí)模型剛好足夠大到能擬合訓(xùn)練集。

在我們觀察到的所有情況下，影響插值閾值的變化(如改變優(yōu)化算法、訓(xùn)練樣本數(shù)量或標(biāo)簽噪聲量)也會(huì)相應(yīng)地影響測試誤差峰值的位置。在添加標(biāo)簽噪聲的情況下，雙下降現(xiàn)象最為突出，如果沒有它，峰值會(huì)更小，很容易被忽略。添加標(biāo)簽噪聲會(huì)放大這種普遍的行為，讓我們可以很容易地進(jìn)行研究。

樣本的非單調(diào)性

2. 在一段時(shí)間內(nèi)，樣本越多效果越差。

上面的圖顯示了在沒有添加標(biāo)簽噪聲的情況下，在語言翻譯任務(wù)訓(xùn)練的 transformers。正如預(yù)期的那樣，增加樣本數(shù)量會(huì)使曲線向下移動(dòng)，從而降低測試誤差。然而，由于更多的樣本需要更大的模型來擬合，增加樣本的數(shù)量也會(huì)使插值閾值(以及測試誤差的峰值)向右移動(dòng)。對于中等大小的模型(紅色箭頭)，這兩個(gè)效果結(jié)合在一起，我們可以看到在 4.5 倍的樣本上進(jìn)行訓(xùn)練實(shí)際上會(huì)影響測試性能。

訓(xùn)練 epoch 的雙下降

3. 在一段時(shí)間內(nèi)，訓(xùn)練時(shí)間越長，過擬合情況就越嚴(yán)重。

上面的圖顯示了測試和訓(xùn)練誤差與模型大小和優(yōu)化步驟數(shù)量的關(guān)系。對于給定數(shù)量的優(yōu)化步驟(固定 y 坐標(biāo))，測試和訓(xùn)練誤差表現(xiàn)為隨著模型的大小出現(xiàn)了雙下降。對于給定的模型尺寸(固定的 x 坐標(biāo))，隨著訓(xùn)練的進(jìn)行，測試和訓(xùn)練誤差不斷地減小、增大、再減小，我們把這種現(xiàn)象稱為 epoch-wise 的雙下降。

一般情況下，當(dāng)模型剛好能夠擬合訓(xùn)練集時(shí)，會(huì)出現(xiàn)測試誤差的峰值

我們的直覺是，對于插值閾值處的模型，實(shí)際上只有一個(gè)模型正好擬合了數(shù)據(jù)集，而強(qiáng)迫它擬合即使是稍微有一點(diǎn)噪聲或錯(cuò)誤的標(biāo)簽也會(huì)破壞它的全局結(jié)構(gòu)。也就是說，沒有既能在插值閾值處擬合訓(xùn)練集又能在測試集上表現(xiàn)良好的“好模型”。然而，在參數(shù)化的情況下，有許多模型可以擬合訓(xùn)練集，并且存在這樣的好模型。此外，隨機(jī)梯度下降法(SGD)的隱式偏差導(dǎo)致了這樣好模型出現(xiàn)，其原因我們還不清楚。

我們把對深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙下降機(jī)制仍的充分認(rèn)識作為一個(gè)重要的開放性問題。