基于自適應(yīng)動(dòng)量更新策略的Adams算法

李滿園 羅飛 顧春華 羅勇軍 丁煒超

摘要：Adam算法是目前最常用的優(yōu)化算法之一，但其面臨學(xué)習(xí)率震蕩導(dǎo)致模型不收斂問題，其改進(jìn)算法AMSGrad也存在梯度遞減導(dǎo)致的二階動(dòng)量失效問題。針對(duì)上述問題，提出了基于自適應(yīng)動(dòng)量更新策略的Adams算法。首先，通過為一階動(dòng)量和二階動(dòng)量引入自適應(yīng)更新參數(shù)，并在最后的參數(shù)更新期間采用較小的一階動(dòng)量更新參數(shù)，構(gòu)建了一種自適應(yīng)的動(dòng)量更新策略。其次，基于該更新策略，提出了一種能夠快速收斂的Adams算法。最后，通過理論分析證明了Adams算法的收斂性?；谖谋痉诸惡蛨D像分類的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，相比于Adam和AMSGrad算法，Adams收斂速度更快、訓(xùn)練結(jié)果更好，且具有優(yōu)秀的泛化能力；消融實(shí)驗(yàn)證明了Adams算法自適應(yīng)動(dòng)量更新策略的有效性。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化算法；自適應(yīng)動(dòng)量更新策略；一階動(dòng)量；二階動(dòng)量

中圖分類號(hào)：TP 301.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅猛，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人臉識(shí)別[1]、目標(biāo)檢測(cè)[2]、文本翻譯[3]、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)[4]及醫(yī)療[5]等領(lǐng)域。相較于傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠更好地利用海量的數(shù)據(jù)[6]。為了達(dá)到更好的效果，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行大量的訓(xùn)練，并通過優(yōu)化算法來不斷地減少損失、優(yōu)化模型。Adam算法[7]是一種簡(jiǎn)單且高效的自適應(yīng)學(xué)習(xí)率優(yōu)化算法，可以在訓(xùn)練過程中根據(jù)歷史梯度自適應(yīng)調(diào)整學(xué)習(xí)率來獲取更好的訓(xùn)練結(jié)果[8]。Adam算法易于使用，Yi等[9]的實(shí)驗(yàn)證明，其僅使用默認(rèn)參數(shù)就可以獲得較好的訓(xùn)練結(jié)果，而且，它的計(jì)算效率高、占用內(nèi)存小，適合解決大規(guī)模數(shù)據(jù)和多參數(shù)優(yōu)化問題[10]。因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，Adam算法目前已經(jīng)成為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中使用最多的優(yōu)化算法之一。但是，在Adam算法中，為了避免學(xué)習(xí)率過度衰減導(dǎo)致訓(xùn)練提前結(jié)束[11]，采用固定時(shí)間窗口內(nèi)歷史梯度的累積作為二階動(dòng)量。在多次迭代過程中，若訓(xùn)練樣本間梯度差過大，會(huì)出現(xiàn)二階動(dòng)量波動(dòng)引起的學(xué)習(xí)率震蕩，最終導(dǎo)致模型不收斂[12]。此外，Adam算法還存在泛化能力差、可能因過擬合而錯(cuò)過全局最優(yōu)解[13]等問題。

為了解決上述問題，并進(jìn)一步提升Adam算法的性能，不少研究者提出了自己的改進(jìn)方法。Dozat[14]利用NAG（ nesterov accelerated gradient）對(duì)Adam算法的一階動(dòng)量進(jìn)行更新，從而提升收斂速度。文獻(xiàn)[15-16]指出幾乎所有深度學(xué)習(xí)庫(kù)中，對(duì)于包括Adam算法的權(quán)重衰減方法的實(shí)現(xiàn)都存在錯(cuò)誤，并在Adamw算法中進(jìn)行修正。Reddi等[12]提出AMSGrad算法，通過改進(jìn)二階動(dòng)量的迭代方式來避免學(xué)習(xí)率的震蕩，從而解決模型不收斂問題。Lazy Adam算法[17]是Adam算法的一種常用的變體，通過引入懶惰梯度更新機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)稀疏梯度問題的高效處理，更適用于自然語言處理等梯度稀疏任務(wù)。Keskar掣[8]提出在訓(xùn)練的后期，從Adam算法切換到SGD（ stochastic gradient descent）算法[19]可以使模型獲得更好的泛化性能。

在上述對(duì)于Adam算法的改進(jìn)中，AMSGrad算法解決了Adam算法中存在的模型不收斂問題。但是，當(dāng)訓(xùn)練中多次迭代的梯度保持不變或整體呈遞減趨勢(shì)，AMSGrad算法的二階動(dòng)量會(huì)無法正常更新而導(dǎo)致自適應(yīng)學(xué)習(xí)率失效。針對(duì)這一問題，本文分析了自適應(yīng)學(xué)習(xí)率失效的原因，并提出基于自適應(yīng)動(dòng)量更新策略的Adams算法。本文的主要研究工作為：a．實(shí)現(xiàn)二階動(dòng)量自適應(yīng)更新，在解決模型不收斂的同時(shí)，避免自適應(yīng)學(xué)習(xí)率失效問題；b．實(shí)現(xiàn)一階動(dòng)量參數(shù)在訓(xùn)練過程中的自適應(yīng)增加，獲取更快的收斂速度；c．在最后的參數(shù)更新階段中，采用較小的一階動(dòng)量更新參數(shù)，使模型完成更加精細(xì)的收斂。

1 Adams算法設(shè)計(jì)

1.1 自適應(yīng)學(xué)習(xí)率失效問題

為了避免Adam算法中因?yàn)槎A動(dòng)量波動(dòng)導(dǎo)致的模型不收斂問題，AMSGrad算法優(yōu)化了二階動(dòng)量的更新公式，優(yōu)化后的公式為

vt ← max（β2vtt1 +（1 ∞β2）g2t ， vtt 1） （1）式中：9t為梯度；vt為梯度的二階原點(diǎn)矩的有偏估計(jì)，即二階動(dòng)量；β2為二階動(dòng)量的指數(shù)移動(dòng)加權(quán)衰減率，即二階動(dòng)量更新系數(shù)。

由式（1）可知，AMSGrad算法取迭代前后二階動(dòng)量的最大值作為新的二階動(dòng)量的值。這一策略可以防止二階動(dòng)量在整個(gè)訓(xùn)練的過程中出現(xiàn)波動(dòng)，通過避免學(xué)習(xí)率震蕩來解決模型不收斂問題。但是，若訓(xùn)練過程中梯度整體呈下降趨勢(shì)，二階動(dòng)量則會(huì)始終保持不變，無法正常更新，導(dǎo)致算法的自適應(yīng)學(xué)習(xí)率失效。

1.2 自適應(yīng)動(dòng)量更新策略

一方面為了在解決Adam算法不收斂問題時(shí)避免出現(xiàn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)率失效問題，另一方面為了加速模型的收斂，針對(duì)一階動(dòng)量和二階動(dòng)量，提出了自適應(yīng)動(dòng)量更新策略。自適應(yīng)動(dòng)量更新策略的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面的問題：a．通過為二階動(dòng)量引入恒大于1的更新參數(shù)，令其在整個(gè)訓(xùn)練過程中嚴(yán)格單調(diào)遞增，避免了學(xué)習(xí)率的震蕩導(dǎo)致的模型不收斂問題。同時(shí)，參數(shù)不能過大，否則會(huì)因二階動(dòng)量過度累積導(dǎo)致訓(xùn)練提前結(jié)束。b．令一階動(dòng)量更新參數(shù)隨著訓(xùn)練進(jìn)行逐漸變大，并在最后的參數(shù)更新階段將其設(shè)置為較小的值。自適應(yīng)動(dòng)量更新策略分為二階動(dòng)量改進(jìn)和一階動(dòng)量改進(jìn)這兩部分。

首先，綜合考慮Adam算法中的模型不收斂問題與AMSGrad算法中的自適應(yīng)學(xué)習(xí)率失效問題，為二階動(dòng)量引入自適應(yīng)更新參數(shù)μ，其定義為

μ ← 1 + α/vtt 1 （2）式中，a[為算法的預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)率。

因?yàn)?，學(xué)習(xí)率a[恒為正，且二階動(dòng)量v。恒為正，所以，μ恒大于1。μ可以使二階動(dòng)量在訓(xùn)練中嚴(yán)格單調(diào)遞增，同時(shí)避免學(xué)習(xí)率震蕩和自適應(yīng)學(xué)習(xí)率失效兩個(gè)問題。此外，μ與算法的實(shí)際學(xué)習(xí)率線性正相關(guān)，會(huì)在訓(xùn)練中自適應(yīng)減小，因此，不會(huì)出現(xiàn)梯度過度累積導(dǎo)致訓(xùn)練提前結(jié)束的問題?；谧赃m應(yīng)更新參數(shù)，μ構(gòu)建的自適應(yīng)二階動(dòng)量更新方法，如式（3）所示。

vt ← max（β2vtt 1 +（1 ∞β2）g2t， μvtt 1） （3）

其次，Sutskever等[20]的研究表明：一方面，令一階動(dòng)量的更新參數(shù)β1在訓(xùn)練過程中緩慢地增大，可以使模型收斂更快，從而達(dá)到Hessian-Free優(yōu)化[21]的效果；另一方面，在最后的參數(shù)更新階段采用較小的一階動(dòng)量更新參數(shù)可以獲得更加精細(xì)的收斂結(jié)果。因此，令β1在每次迭代完成后乘以μ來緩慢增大，以獲取更快的收斂速度。同時(shí)，采用文獻(xiàn)[20]的策略，即在最后1000次參數(shù)更新期間將β1設(shè)置為0.9，以獲取更好的收斂結(jié)果，并設(shè)置2個(gè)消融實(shí)驗(yàn)分別證明這兩點(diǎn)改進(jìn)的有效性。應(yīng)用這一改動(dòng)后，一階動(dòng)量更新公式為

mt ← μtt 1β1mtt 1 +（1 ∞μtt 1β1）gt （4）式中：m t為梯度的一階原點(diǎn)矩的有偏估計(jì)，即一階動(dòng)量；β1為一階動(dòng)量的指數(shù)移動(dòng)加權(quán)衰減率，即一階動(dòng)量更新參數(shù)。

1.3 Adams算法

算法1簡(jiǎn)要描述基于自適應(yīng)動(dòng)量更新策略的Adams優(yōu)化算法的執(zhí)行流程。

在算法1中，第2行計(jì)算出當(dāng)前梯度9t后，第3，4行分別計(jì)算9t的一階原點(diǎn)矩估計(jì)mt和二階原點(diǎn)矩估計(jì)vt，即一階動(dòng)量和二階動(dòng)量。在迭代初期，計(jì)算出的mt和vt都是有偏的，因此，分別在第5，6行對(duì)其進(jìn)行偏差修正。迭代后期，對(duì)梯度的矩估計(jì)逐漸變?yōu)闊o偏估計(jì)，修正強(qiáng)度也逐漸降為1。算法1中第7行得到自適應(yīng)更新參數(shù)μ，用于mt和vt的自適應(yīng)更新。最后，在第8行完成模型參數(shù)的更新。此外，在最后1000次參數(shù)更新中將β1設(shè)置為0.9并未在算法1中詳細(xì)寫出。

2 Adams算法收斂性證明

為了證明Adams算法的收斂性，需要使用算法收斂性評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)定義，以及一些收斂性分析的常用假設(shè)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)Adams算法的收斂性進(jìn)行理論分析。

定義1對(duì)于任意給定的未知凸代價(jià)函數(shù)系列f1（θ），f2（θ），…，f7（θ），算法在迭代中給出預(yù)測(cè)參數(shù)模型θt。用任意給定凸代價(jià)函數(shù)f1對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，并使用收斂指標(biāo)R（T）來對(duì)算法進(jìn)行整體性的評(píng)估。當(dāng)T趨于無窮大時(shí)，lim （R（T）/T）=0，則認(rèn)為此算法收斂。R（T）定義為

至此，證得R（T）存在上界。根據(jù)定義1可得結(jié)論：Adams算法收斂。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

基于深度學(xué)習(xí)框架PyTorch實(shí)現(xiàn)了基于白適應(yīng)動(dòng)量更新策略的Adams算法，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的多個(gè)主要工具包的具體版本如表1所示。

在reuters， MNIST. fashion MNIST， CIFARIO，CIFARIOO共5個(gè)公共數(shù)據(jù)集上，通過文本分類與圖像分類實(shí)驗(yàn)，測(cè)試Adams算法的性能。其中，reuters是來自路透社的短新聞文本數(shù)據(jù)集；MNIST是手寫數(shù)字的灰度圖像數(shù)據(jù)集；fashionMNIST是包含不同種類商品的灰度圖像數(shù)據(jù)集；CIFARIO，CIFARIOO是包含不同種類物品的彩色圖像數(shù)據(jù)集。5個(gè)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量、訓(xùn)練集與測(cè)試集劃分、數(shù)據(jù)特征如表2所示。

3.2 算法對(duì)比實(shí)驗(yàn)與分析

Adams算法通過自適應(yīng)動(dòng)量更新策略解決Adam算法不收斂問題的同時(shí)，避免了AMSGrad算法中的白適應(yīng)學(xué)習(xí)率失效問題。因此，選取Adam算法和AMSGrad算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。上述提及的算法均為白適應(yīng)學(xué)習(xí)率算法，而Wilson等[16]的研究表明，白適應(yīng)學(xué)習(xí)率算法得到模型的泛化能力通常不如帶動(dòng)量的SGD算法（SGD with momentum．簡(jiǎn)稱SGD），因此，將SGD算法也作為對(duì)比對(duì)象?？紤]到不同算法在不同學(xué)習(xí)率、不同數(shù)據(jù)集的表現(xiàn)可能不同，算法均訓(xùn)練20輪，步長(zhǎng)均設(shè)置為64，學(xué)習(xí)率分別設(shè)置為0.0001，0.001，0.002，0.003，0.004，0.005，0.01，0.05，0.1，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，并選取最佳結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

Adams算法的目的是幫助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更快地訓(xùn)練出更好的模型。為了比較Adams算法在不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的表現(xiàn)，也為了凸顯對(duì)比實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性，在不同的數(shù)據(jù)集上，將使用不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。在reuters，MNIST，fashion MNIST這3個(gè)相對(duì)較為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用僅包含一個(gè)線性層的全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ fullyconnected neural network， FCNN）進(jìn)行訓(xùn)練，避免因?yàn)橛?xùn)練過快而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果失去對(duì)比性；在CIFARIO和CIFARIOO這2個(gè)相對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用包含3個(gè)卷積模塊的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ convolutional neural networks，CNN），網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本實(shí)驗(yàn)中所有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出都通過softmax函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，并使用交叉熵計(jì)算損失來進(jìn)行參數(shù)更新，具體訓(xùn)練結(jié)果如表3所示。Relu，softmax為激活函數(shù)。

為了更為直觀地對(duì)比4種算法，圖2 以MNIST數(shù)據(jù)集為例，給出了4種算法的收斂過程，各算法學(xué)習(xí)率的設(shè)置與表3中相同。從圖2（a）可以看出，在MNIST數(shù)據(jù)集上，SGD的收斂速度最慢，另外3種算法的收斂速度相差不大，其中，Adams收斂速度略快。由圖2（b）可知，Adams算法在采用自適應(yīng)動(dòng)量更新策略后，得到了更為精細(xì)的收斂結(jié)果，明顯優(yōu)于SGD，Adam，AMSGrad這3種算法。

在所有數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，Adams算法在5個(gè)不同數(shù)據(jù)集上的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中均獲得了最高的分類準(zhǔn)確率。并且在訓(xùn)練了20輪之后，Adams均得到了最低的損失，這也說明其收斂速度更快。此外，Adams算法在FCNN．CNN兩類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上都表現(xiàn)出了更好的性能；在文本分類任務(wù)（reuters）和圖片分類任務(wù)（MNIST， fashionMNIST. CIFAR10， CIFAR100）上也都表現(xiàn)出較好的性能，證明了Adams算法具有優(yōu)秀的泛化能力。

3.3 消融實(shí)驗(yàn)與分析

相比于Adam算法，Adams算法在自適應(yīng)動(dòng)量更新策略中進(jìn)行了3點(diǎn)改進(jìn)，分別為：a．實(shí)現(xiàn)二階動(dòng)量自適應(yīng)更新；b．實(shí)現(xiàn)一階動(dòng)量參數(shù)在訓(xùn)練過程中的自適應(yīng)增加；c．在最后的參數(shù)更新階段采用較小的一階動(dòng)量更新參數(shù)。為了進(jìn)一步探究前2點(diǎn)改進(jìn)各自的作用，本文在Adam算法的基礎(chǔ)上分別單獨(dú)實(shí)現(xiàn)這2點(diǎn)改動(dòng)，并分別記作Adams-a算法、Adams b算法，與Adams算法一起，在MNIST數(shù)據(jù)集上進(jìn)行消融實(shí)驗(yàn)。MNIST數(shù)據(jù)集內(nèi)數(shù)據(jù)特征簡(jiǎn)單，如果采用比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，在數(shù)次迭代后4種優(yōu)化算法都會(huì)達(dá)到較高的準(zhǔn)確率。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加具有可比性，在消融實(shí)驗(yàn)中仍然使用僅包含1個(gè)線性層的全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練輪次為10次。消融實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，在Adams a算法中實(shí)現(xiàn)二階動(dòng)量自適應(yīng)更新后，獲得了與Adams算法相近的損失與準(zhǔn)確率，但損失下降速度慢；由圖3（b）可知，在Adams b算法中實(shí)現(xiàn)一階動(dòng)量參數(shù)的自適應(yīng)增加后，得到了更快的損失下降速度，但最終模型損失較高，且準(zhǔn)確率較低。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，也進(jìn)一步證明了：a．二階動(dòng)量的自適應(yīng)更新可以使Adams算法獲得更好的收斂結(jié)果；b．一階動(dòng)量更新參數(shù)在訓(xùn)練中自適應(yīng)增加，并在最后1 000次參數(shù)更新中設(shè)置為0.9，可以使Adams算法獲得更快的收斂速度。

為了驗(yàn)證Adams算法中第3點(diǎn)改進(jìn)的有效性，將僅應(yīng)用前2點(diǎn)改進(jìn)的算法記作Adams c算法，并與Adams算法一起在MNIST上進(jìn)行消融實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證最終的收斂結(jié)果是否更加精細(xì)，因此，采用早停法，當(dāng)Adams c算法出現(xiàn)訓(xùn)練次數(shù)增多而模型表現(xiàn)變差的情況時(shí)停止訓(xùn)練。Adams算法訓(xùn)練相同次數(shù)。除此之外，實(shí)驗(yàn)采用與算法對(duì)比實(shí)驗(yàn)相同的參數(shù)設(shè)置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4中數(shù)據(jù)可知，這一改動(dòng)可以略微提升模型的性能。

4 結(jié)束語

針對(duì)Adam算法中因?yàn)閷W(xué)習(xí)率震蕩導(dǎo)致的模型不收斂問題，以及AMSGrad算法中自適應(yīng)學(xué)習(xí)率失效的問題，提出了基于自適應(yīng)動(dòng)量更新策略的Adams算法。在Adams算法中，一方面通過為二階動(dòng)量引入自適應(yīng)更新參數(shù)來避免不收斂問題和自適應(yīng)學(xué)習(xí)率失效問題；另一方面使一階動(dòng)量在訓(xùn)練中自適應(yīng)增大來獲取更快的收斂速度，并在最后1000次參數(shù)更新期間采用較小的一階動(dòng)量更新參數(shù)來完成更加精細(xì)的收斂。

為了對(duì)Adams算法進(jìn)行性能評(píng)估，在reuters，MNIST， fashion MNIST. CIFARIO. CIFARIOO共5個(gè)數(shù)據(jù)集上，與SGD，Adam，AMSGrad算法進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，Adams算法相比其他3種優(yōu)化算法，收斂速度更快、收斂結(jié)果更好。為了進(jìn)一步驗(yàn)證了Adams算法中2點(diǎn)改動(dòng)的有效性，在MNIST數(shù)據(jù)集上進(jìn)行消融實(shí)驗(yàn)。消融實(shí)驗(yàn)證明，二階動(dòng)量的自適應(yīng)更新可以使算法獲得更好的收斂結(jié)果；一階動(dòng)量更新參數(shù)的自適應(yīng)增大可以使算法獲得更快的收斂速度；在最后的參數(shù)更新階段中，采用較小的一階動(dòng)量更新參數(shù)可以使模型獲得更加精細(xì)的收斂結(jié)果。

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