改進(jìn)Hinton的Dropout：可以用來減輕欠擬合了

深度學(xué)習(xí)三巨頭之一 Geoffrey Hinton 在 2012 年提出的 dropout 主要用來解決過擬合問題，但近日的一項(xiàng)工作表明，dropout 能做的事情不止于此。

2012 年，Hinton 等人在其論文《Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors》中提出了 dropout。同年，AlexNet 的出現(xiàn)開啟了深度學(xué)習(xí)的新紀(jì)元。AlexNet 使用 dropout 顯著降低了過擬合，并對(duì)其在 ILSVRC 2012 競(jìng)賽中的勝利起到了關(guān)鍵作用?？梢赃@么說，如果沒有 dropout，我們目前在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域看到的進(jìn)展可能會(huì)被推遲數(shù)年。

自 dropout 推出以后，它被廣泛用作正則化器，降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的過擬合。dropout 使用概率 p 停用每個(gè)神經(jīng)元，防止不同的特征相互適應(yīng)。應(yīng)用 dropout 之后，訓(xùn)練損失通常增加，而測(cè)試誤差減少，從而縮小模型的泛化差距。深度學(xué)習(xí)的發(fā)展不斷引入新的技術(shù)和架構(gòu)，但 dropout 依然存在。它在最新的 AI 成果中繼續(xù)發(fā)揮作用，比如 AlphaFold 蛋白質(zhì)預(yù)測(cè)、DALL-E 2 圖像生成等，展現(xiàn)出了通用性和有效性。

盡管 dropout 持續(xù)流行，但多年來其強(qiáng)度（以drop rate p 表示）一直在下降。最初的 dropout 工作中使用了 0.5 的默認(rèn)drop rate。然而近年來常常采用較低的drop rate，比如 0.1，相關(guān)示例可見訓(xùn)練 BERT 和 ViT。這一趨勢(shì)的主要?jiǎng)恿κ强捎糜?xùn)練數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)，使得過擬合越來越困難。加之其他因素，我們可能很快會(huì)遇到更多欠擬合而非過擬合問題。

近日在一篇論文《Dropout Reduces Underfitting》中，Meta AI、加州大學(xué)伯克利分校等機(jī)構(gòu)的研究者展示了如何使用 dropout 來解決欠擬合問題。

論文標(biāo)題：

Dropout Reduces Underfitting

論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/2303.01500

他們首先通過對(duì)梯度范數(shù)的有趣觀察來研究 dropout 的訓(xùn)練動(dòng)態(tài)，然后得出了一個(gè)關(guān)鍵的實(shí)證發(fā)現(xiàn)：在訓(xùn)練初始階段，dropout 降低小批量的梯度方差，并允許模型在更一致的方向上更新。這些方向也更與整個(gè)數(shù)據(jù)集的梯度方向保持一致，具體如下圖 1 所示。

因此，模型可以更有效地優(yōu)化整個(gè)訓(xùn)練集的訓(xùn)練損失，而不會(huì)受到個(gè)別小批量的影響。換句話說，dropout 抵消了隨機(jī)梯度下降（SGD）并防止訓(xùn)練早期采樣小批量的隨機(jī)性所造成的過度正則化。

基于這一發(fā)現(xiàn)，研究者提出了 early dropout（即 dropout 僅在訓(xùn)練早期使用），來幫助欠擬合模型更好地?cái)M合。與無 dropout 和標(biāo)準(zhǔn) dropout 相比，early dropout 降低了最終的訓(xùn)練損失。相反，對(duì)于已經(jīng)使用標(biāo)準(zhǔn) dropout 的模型，研究者建議在早期訓(xùn)練 epoch 階段移除 dropout 以降低過擬合。他們將這一方法稱為 late dropout，并證明它可以提升大模型的泛化準(zhǔn)確率。下圖 2 比較了標(biāo)準(zhǔn) dropout、early 和 late dropout。

研究者在圖像分類和下游任務(wù)上使用不同的模型來評(píng)估 early dropout 和 late dropout，結(jié)果顯示二者始終比標(biāo)準(zhǔn) dropout 和無 dropout 產(chǎn)生了更好的效果。他們希望自己的研究發(fā)現(xiàn)可以為 dropout 和過擬合提供新穎的見解，并激發(fā)人們進(jìn)一步開發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正則化器。

分析與驗(yàn)證

在提出 early dropout 和 late dropout 之前，該研究探討了是否可以使用 dropout 作為減少欠擬合的工具。該研究使用其提出的工具和指標(biāo)對(duì) dropout 的訓(xùn)練動(dòng)態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并比較了 ImageNet 上兩個(gè) ViT-T/16 的訓(xùn)練過程（Deng et al.， 2009）：一個(gè)沒有 dropout 作為基線；另一個(gè)在整個(gè)訓(xùn)練過程中有 0.1 的 dropout 率。

梯度范數(shù)（norm）。該研究首先分析了 dropout 對(duì)梯度 g 強(qiáng)度的影響。如下圖 6（左）所示，dropout 模型產(chǎn)生范數(shù)較小的梯度，表明它在每次梯度更新時(shí)采用較小的步長(zhǎng)（step）。

模型距離。由于梯度步長(zhǎng)更小，我們期望 dropout 模型相對(duì)于其初始點(diǎn)移動(dòng)的距離比基線模型更小。如下圖 6（右）所示，該研究繪制了每個(gè)模型與其隨機(jī)初始化的距離。然而，令人驚訝的是，dropout 模型實(shí)際上比基線模型移動(dòng)了更大的距離，這與該研究最初基于梯度范數(shù)的預(yù)期相反。

梯度方向方差。該研究首先假設(shè) dropout 模型在小批量中產(chǎn)生更一致的梯度方向。下圖 7 所示的方差與假設(shè)基本一致。直到一定的迭代次數(shù)（大約 1000 次）以后，dropout 模型和基線模型的梯度方差都在一個(gè)較低的水平波動(dòng)。

梯度方向誤差。然而，正確的梯度方向應(yīng)該是什么？為了擬合訓(xùn)練數(shù)據(jù)，基本目標(biāo)是最小化整個(gè)訓(xùn)練集的損失，而不僅僅是任何一個(gè)小批量的損失。該研究在整個(gè)訓(xùn)練集上計(jì)算給定模型的梯度，其中 dropout 設(shè)置為推理模式以捕獲完整模型的梯度。梯度方向誤差如下圖 8 所示。

基于上述分析，該研究發(fā)現(xiàn)盡早使用 dropout 可以潛在地提高模型對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的擬合能力。而是否需要更好地?cái)M合訓(xùn)練數(shù)據(jù)取決于模型是處于欠擬合還是過擬合狀態(tài)，這可能很難精確定義。該研究使用如下標(biāo)準(zhǔn)：

1. 如果一個(gè)模型在標(biāo)準(zhǔn) dropout 下泛化得更好，則認(rèn)為它處于過擬合狀態(tài)；

2. 如果模型在沒有 dropout 的情況下表現(xiàn)更好，則認(rèn)為它處于欠擬合狀態(tài)。

模型所處的狀態(tài)不僅取決于模型架構(gòu)，還取決于所使用的數(shù)據(jù)集和其他訓(xùn)練參數(shù)。

然后，該研究提出了 early dropout 和 late dropout 兩種方法：

early dropout：在默認(rèn)設(shè)置下，欠擬合狀態(tài)下的模型不使用 dropout。為了提高其適應(yīng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的能力，該研究提出 early dropout：在某個(gè)迭代之前使用 dropout，然后在其余的訓(xùn)練過程中禁用 dropout。該研究實(shí)驗(yàn)表明，early dropout 減少了最終的訓(xùn)練損失并提高了準(zhǔn)確性。

late dropout：過擬合模型的訓(xùn)練設(shè)置中已經(jīng)包含了標(biāo)準(zhǔn)的 dropout。在訓(xùn)練的早期階段，dropout 可能會(huì)無意中造成過擬合，這是不可取的。為了減少過擬合，該研究提出 late dropout：在某個(gè)迭代之前不使用 dropout，而是在其余的訓(xùn)練中使用 dropout。

該研究提出的方法在概念和實(shí)現(xiàn)上都很簡(jiǎn)單，如圖 2 所示。實(shí)現(xiàn)時(shí)需要兩個(gè)超參數(shù)：1） 在打開或關(guān)閉 dropout 之前等待的 epoch 數(shù)；2）drop rate p，類似于標(biāo)準(zhǔn)的 dropout rate。該研究表明，這兩種超參數(shù)可以保證所提方法的穩(wěn)健性。

實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

研究者在具有 1000 個(gè)類和 1.2M 張訓(xùn)練圖像的 ImageNet-1K 分類數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了實(shí)證評(píng)估，并報(bào)告了 top-1 驗(yàn)證準(zhǔn)確率。

具體結(jié)果首先如下表 1（上部）所示，early dropout 持續(xù)提升測(cè)試準(zhǔn)確率，降低訓(xùn)練損失，表明早期階段的 dropout 有助于模型更好地?cái)M合數(shù)據(jù)。研究者還展示了使用 drop rate 為 0.1 時(shí)與標(biāo)準(zhǔn) dropout、隨機(jī)深度（s.d.）的比較結(jié)果，這兩者都對(duì)模型具有負(fù)面影響。

此外，研究者將訓(xùn)練 epoch 增加一倍并減少 mixup 和 cutmix 強(qiáng)度，從而改進(jìn)了這些小模型的方法。下表 1（底部）的結(jié)果表明，基線準(zhǔn)確率顯著提升，有時(shí)甚至大大超越了以往工作的結(jié)果。

為了評(píng)估 late dropout，研究者選擇了更大的模型，即分別具有 59M 和 86M 參數(shù)的 ViT-B 和 Mixer-B，使用了基礎(chǔ)的訓(xùn)練方法。

結(jié)果如下表 3 所示，與標(biāo)準(zhǔn) s.d. 相比，late s.d. 提升了測(cè)試準(zhǔn)確率。這一提升是在保持 ViT-B 或增加 Mixer-B 訓(xùn)練損失的同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，表明 late s.d. 有效降低了過擬合。

最后，研究者在下游任務(wù)上對(duì)預(yù)訓(xùn)練 ImageNet-1K 模型進(jìn)行微調(diào)，并對(duì)它們進(jìn)行評(píng)估。下游任務(wù)包括 COCO 目標(biāo)檢測(cè)與分割、ADE20K 語義分割以及在 C-100 等五個(gè)數(shù)據(jù)集上的下游分類。目標(biāo)是在微調(diào)階段不使用 early dropout 或 late dropout 的情況下評(píng)估學(xué)得的表示。

結(jié)果如下表 4、5 和 6 所示，首先當(dāng)在 COCO 上進(jìn)行微調(diào)時(shí)，使用 early dropout 或 s.d. 進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練的模型始終保持優(yōu)勢(shì)。

其次對(duì)于 ADE20K 語義分割任務(wù)而言，使用本文方法進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練的模型優(yōu)于基準(zhǔn)模型。

最后是下游分類任務(wù)，本文方法在大多數(shù)分類任務(wù)上提升了泛化性能。

審核編輯 ：李倩