Dropout

简介

出现原因

在机器学习的模型中，如果==模型的参数太多，而训练样本又太少，训练出来的模型很容易产生过拟合的现象==。在训练神经网络的时候经常会遇到过拟合的问题，过拟合具体表现在：模型在训练数据上损失函数较小，预测准确率较高；但是在测试数据上损失函数比较大，预测准确率较低。

过拟合是很多机器学习的通病。如果模型过拟合，那么得到的模型几乎不能用。为了解决过拟合问题，一般会采用模型集成的方法，即训练多个模型进行组合。此时，训练模型费时就成为一个很大的问题，不仅训练多个模型费时，测试多个模型也是很费时。

综上所述，训练深度神经网络的时候，总是会遇到两大缺点：

（1）容易过拟合

（2）费时

Dropout可以比较有效的缓解过拟合的发生，在一定程度上达到正则化的效果。

Dropout说的简单一点就是：我们在前向传播的时候，让某个神经元的激活值以一定的概率p停止工作，这样可以使模型泛化性更强，因为它不会太依赖某些局部的特征。

工作原理

假如我们要训练如下的网络：

输入是x输出是y，正常的流程是：我们首先把x通过网络前向传播，然后把误差反向传播以决定如何更新参数让网络进行学习。使用Dropout之后，过程变成如下：

  1. 首先随机（临时）删掉网络中一半的隐藏神经元，输入输出神经元保持不变（图3中虚线为部分临时被删除的神经元）

  1. 然后把输入x通过修改后的网络前向传播，然后把得到的损失结果通过修改的网络反向传播。一小批训练样本执行完这个过程后，==在没有被删除的神经元上按照随机梯度下降法更新对应的参数（w，b）==。

  2. 然后继续重复这一过程：

    • 恢复被删掉的神经元（此时被删除的神经元保持原样，而没有被删除的神经元已经有所更新）
    • 从隐藏层神经元中随机选择一个一半大小的子集临时删除掉（备份被删除神经元的参数）。
    • 对一小批训练样本，先前向传播然后反向传播损失并根据随机梯度下降法更新参数（w，b） （没有被删除的那一部分参数得到更新，删除的神经元参数保持被删除前的结果）。

    不断重复这一过程。

代码层面理解

  1. 在训练模型阶段

无可避免的，在训练网络的每个单元都要添加一道概率流程。

对应的公式变化如下：

  • 没有Dropout的网络计算公式：

  • 用Dropout的网络计算公式：

上面公式中==Bernoulli函数是为了生成概率r向量，也就是随机生成一个0、1的向量。==

代码层面实现让某个神经元以概率p停止工作，其实就是让它的激活函数值以概率p变为0。比如我们某一层网络神经元的个数为1000个，其激活函数输出值为y1、y2、y3、……、y1000，我们dropout比率选择0.4，那么这一层神经元经过dropout后，1000个神经元中会有大约400个的值被置为0。

注意： 经过上面屏蔽掉某些神经元，使其激活值为0以后，我们==还需要对向量y1……y1000进行缩放，也就是乘以1/(1-p)==。原因如下：

  • ==假如上一层有n个神经元，经过一层隐藏层W后得到新一层神经元，假设这里的n个神经元基本等价也就是说他们的值是大体相等的，那么得到的输出神经元应该是如下公式：（W做了简化实际上是乘了矩阵中的值）==
    • 原始没有Dropout时的输出神经元计算式： $\sum_{i=1}^{n}y_iW$
    • 有Dropout时的输出神经元计算式：$\sum_{i=1}^{n(1-p)}y_iW$由于有np个神经元被置零因此有n(1-p)个神经元正常工作。

​ 在W的参数以及神经元值大小大体相同的情况下，有Dropout时计算结果为原先的(1-p)倍，因此需要进行放缩即除以(1-p)

  • 如果你在训练的时候，经过置0后，没有对y1……y1000进行缩放（rescale），那么在测试的时候，就需要对权重进行缩放，操作如下。

​ 每一个神经单元的权重参数要乘以概率p。

代码示例

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
# coding:utf-8
import numpy as np

# dropout函数的实现
def dropout(x, level):
    if level < 0. or level >= 1: #level是概率值，必须在0~1之间
        raise ValueError('Dropout level must be in interval [0, 1[.')
    retain_prob = 1. - level

    # 我们通过binomial函数，生成与x一样的维数向量。binomial函数就像抛硬币一样，我们可以把每个神经元当做抛硬币一样
    # 硬币 正面的概率为p，n表示每个神经元试验的次数
    # 因为我们每个神经元只需要抛一次就可以了所以n=1，size参数是我们有多少个硬币。
    random_tensor = np.random.binomial(n=1, p=retain_prob, size=x.shape) #即将生成一个0、1分布的向量，0表示这个神经元被屏蔽，不工作了，也就是dropout了
    print(random_tensor)

    x *= random_tensor
    print(x)
    x /= retain_prob #进行放缩

    return x

# 对dropout的测试，大家可以跑一下上面的函数，了解一个输入x向量，经过dropout的结果  
x=np.asarray([1,2,3,4,5,6],dtype=np.float32)
dropout(x,0.4)

Dropout有效的原因

  1. 取平均的作用： 先回到标准的模型即没有dropout，我们用相同的训练数据去训练5个不同的神经网络，一般会得到5个不同的结果，此时我们可以采用 “5个结果取均值”或者“多数取胜的投票策略”去决定最终结果。例如3个网络判断结果为数字9,那么很有可能真正的结果就是数字9，其它两个网络给出了错误结果。这种“综合起来取平均”的策略通常可以有效防止过拟合问题。因为不同的网络可能产生不同的过拟合，取平均则有可能让一些“相反的”拟合互相抵消。dropout掉不同的隐藏神经元就类似在训练不同的网络，随机删掉一半隐藏神经元导致网络结构已经不同，整个dropout过程就相当于对很多个不同的神经网络取平均。而不同的网络产生不同的过拟合，一些互为“反向”的拟合相互抵消就可以达到整体上减少过拟合。

  2. 减少神经元之间复杂的共适应关系： 因为dropout程序导致两个神经元不一定每次都在一个dropout网络中出现。这样权值的更新不再依赖于有固定关系的隐含节点的共同作用，阻止了某些特征仅仅在其它特定特征下才有效果的情况 。迫使网络去学习更加鲁棒的特征 ，这些特征在其它的神经元的随机子集中也存在。换句话说假如我们的神经网络是在做出某种预测，它不应该对一些特定的线索片段太过敏感，即使丢失特定的线索，它也应该可以从众多其它线索中学习一些共同的特征。从这个角度看dropout就有点像L1，L2正则，减少权重使得网络对丢失特定神经元连接的鲁棒性提高。

  3. Dropout类似于性别在生物进化中的角色：物种为了生存往往会倾向于适应这种环境，环境突变则会导致物种难以做出及时反应，性别的出现可以繁衍出适应新环境的变种，有效的阻止过拟合，即避免环境改变时物种可能面临的灭绝。