可以丢掉SGD和Adam了，新的深度学习优化器Ranger：RAdam + LookAhead强强结合

2020 年 1 月 1 日 极市平台

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作者： Less Wright

编译：ronghuaiyang

【导读】给大家介绍一个新的深度学习优化器，Ranger，同时具备RAdam和LookAhead的优点，一行代码提升你的模型能力。

Ranger 优化器结合了两个非常新的发展(RAdam + Lookahead)到一个单一的优化器中。为了证明它的有效性，我们的团队最近使用 Ranger 优化器在 FastAI 全球排行榜上获得了 12 个排行榜记录。

Lookahead 是 Ranger 优化器的其中一半，是由著名的深度学习研究员 Geoffrey Hinton 在 2019 年 7 月的一篇新论文“LookAhead optimizer: k steps forward, 1 step back“中介绍的。LookAhead 的灵感来自于最近在理解神经网络损失曲面方面的进展，并提出了一种全新的稳定深度学习训练和收敛速度的方法。基于 RAdam(Rectified Adam)在深度学习的方差管理方面取得的突破，我发现将 RAdam + LookAhead 组合在一起(Ranger)可以产生一个梦之队，可以得到甚至比单独的 RAdam 更好的优化器。

Ranger 优化器是一个易于使用和高效的单一代码库(加载/保存和一个循环处理的所有参数的更新)，集成到了 FastAI 中，Ranger 的源代码你可以直接拿来用：

https://github.com/lessw2020/Ranger-Deep-Learning-Optimizer

Adam，SGD和Look Ahead + Adam/SGD在LSTM上的对比

为什么 RAdam 和 LookAhead 是互补的

可以说，RAdam 为优化器在开始训练时提供了最好的基础。RAdam 利用一个动态整流器来根据变化调整 Adam 的自适应动量，针对当前数据集，有效地提供了一个自动 warm-up，，以确保可以得到一个扎实的训练开头。

LookAhead 的灵感来自于最近对深度神经网络损失曲面的理解，并为在整个训练过程中进行健壮和稳定的探索提供了突破。

引用 LookAhead 团队的话说，LookAhead“减少了对大量超参数调优的需求”，同时“以最小的计算开销在不同深度学习任务之间实现更快的收敛”。

因此，两者都在深度学习优化的不同方面提供了突破，并且两者的结合具有高度的协同性，可能为你的深度学习结果提供了两种改进的最佳效果。因此，对更稳定和更健壮的优化方法的追求将继续下去，通过结合两个最新的突破(RAdam + LookAhead)，Ranger 的集成有望为深度学习提供另一个进步。

Hinton 等人— “我们通过实验证明，即使在 ImageNet、CIFAR-10/100、神经机器翻译和 Penn Treebank 上使用缺省超参数设置， LookAhead 也可以显著提高 SGD 和 Adam 的性能。”

由于LookAhead具有双向探索的设置，因此对比SGD，Lookahead可以优化到距离minima更近的位置。

因此，本文在前面的 RAdam 介绍的基础上，解释了什么是 LookAhead，以及如何将 RAdam 和 LookAhead 合并到一个单一的优化器 Ranger 中，从而获得新的高精度。在我测试的前 20 个 epoch 中，我获得了一个新的高准确率，比目前的 FastAI 排行榜高出 1%。

Ranger的第一次测试达到了93%

FastAI排行榜，20个epochs, 92%

更重要的是，任何人都可以使用 Ranger，看看它有没有提高你的深度学习结果的稳定性和准确性!

因此，让我们深入研究驱动 Ranger 的两个组件 — RAdam 和 LookAhead：

1、什么是 RAdam (Rectified Adam):

有个简短的总结，开发 RAdam 的研究人员调查了为什么自适应动量优化器(Adam，RMSProp 等等)，所有这些都需要 warmup，否则他们在训练开始前就会陷入糟糕的/可疑的局部最佳状态。

原因是在开始训练时，当优化器没有看到足够的数据来做出准确的自适应动量决策时，数据的方差就会出现非常大的情况。因此，Warmup 可以减少训练开始时的方差……但即使是决定 Warmup 的程度，也需要根据数据集改变手动调整。

因此，Rectified Adam 是通过使用一个整流函数来确定一个“启发式的 Warmup”，这个整流函数是基于实际遇到的方差来确定的。整流器动态的关闭和开启自适应动量，这样它就不会全速跳跃，直到数据的方差稳定下来。

通过这样做，就避免了手动热身的需要，并自动稳定了训练。

一旦方差稳定下来，RAdam 基本上就变成了 Adam，甚至是 SGD。因此，RAdam 的贡献是在训练的开始。

读者注意到，在结果部分，虽然 RAdam 超过了 Adam，但从长远来看，SGD 最终可以赶上并超过 RAdam 和 Adam 的最终精度。

这就是我们现在要使用 LookAhead 的地方，整合一种新的探索机制，即使在 1000 个 epochs 之后也能超越 SGD。

Lookahead使用alpha= 0.5和变化学习率 vs SGD，1000个epoch

2、 Lookahead — 用于探索损失超平面的小伙伴 =更快、更稳定的探索和收敛。

正如 Lookahead 的研究人员所指出的，目前，大多数成功的优化器都是在 SGD 的基础上进行优化的

1 、自适应动量(Adam, AdaGrad）

2 、一种加速形式(Nesterov 动量或 Polyak Heavy Ball)

来完善探索和训练过程，最终趋同。

然而，Lookahead 是一种新的发展，它维持两组权重，然后在它们之间进行插值 — 实际上，它允许一组更快的权重“向前看”或探索，而较慢的权重留在后面，以提供更长期的稳定性。

结果减少了训练过程中的方差，大大降低了对次优超参数的敏感性，并减少了对大量超参数调优的需要。这是在完成各种深度学习任务时实现更快的收敛。换句话说，这是一个令人印象深刻的突破。

通过简单的类比，可以将 LookAhead 理解为以下内容。想象你在一个山顶，周围有各种各样的落差。其中一条通往成功的底部，而其他的只是倒霉的裂缝。

你自己独自探索是困难的，因为你必须选一条路下去，并假设它是一个死胡同，然后再找路出来。

但是，如果你有一个朋友，他呆在或接近顶部，如果你选的路是好的，就帮助你备份，这样你可能会更好的找到最优的路径，因为探索全地形会更快，困倒霉的裂缝的可能性会更小。

这就是 LookAhead 的基本功能。它保留一个额外的权值副本，然后让内部化的“更快”优化器(对于 Ranger，即 RAdam)进行 5 或 6 个 batch 的搜索。batch 间隔由 k 参数指定。

当 k 个 batch 的探索完成时，LookAhead 将它保存的权值与 RAdam 的最新权值之间的差值乘以一个 alpha 参数(默认情况下为 0.5)，r 然后更新 RAdam 的权值。

Range代码显示Lookahead更新RAdam的参数

结果实际上是内部优化器(在本例中是 RAdam)的快速移动平均和通过 LookAhead 获得的较慢的指数移动平均的综合效应。速度快的人探索，而速度慢的人则充当拉回或稳定机制 — 通常在速度快的人探索时留在后面，但在某些情况下，当速度快的人继续探索时，速度慢的人会把速度快的人推下一个更有希望的斜坡。

由于具有 LookAhead 的安全性，优化器可以更充分地探索前景，而不必担心陷入困境。

这种方法与目前使用的两种主要方法完全不同——自适应动量或“heavy ball”/Nesterov 类型动量。

因此，LookAhead 在探索和寻找“下降的方式”方面更胜一筹，因为它增强了训练的稳定性，甚至超过了 SGD。

3、Ranger — 一个集成的代码库，提供了把 RAdam 和 LookAhead 结合在一起的优化器

Lookahead 可以和任何优化器一起使用，作为“fast”权值，论文中使用的是 vanilla Adam，因为 RAdam 当时还不可用。

LookAhead的PyTorch集成

然而，为了便于代码集成，简化用法，我合并了成一个单一的优化器，名为 Ranger。

个人看到的ImageNette最高的20个epoch的分数 — 实际上是Ranger的第一次运行。(92%是目前的排行榜)。还要注意稳定的训练进度。

4、现在就来用 Ranger 吧！

在 github 上有几个 LookAhead 的实现，我从 LonePatient 的一个开始，因为我喜欢它简洁的代码，然后在此基础上构建。RAdam，当然来自官方的 RAdam github 代码库。

使用步骤：

1 、把 ranger.py 拷贝到你的文件夹中

2 、 import ranger：

3 、使用 FastAI 构建一个训练准备使用 Ranger。

4 、开始测试！

LookAhead 参数：

k parameter :— 这个参数控制了在与 LookAhead 权值合并之前要运行多少个 batch，常见的默认值是 5 或者 6，论文中使用到了 20。

alpha = 这个参数控制了与 LookAhead 参数差异更新的百分比。Hinton 等人做了一个强有力的证明 0.5 可能是理想值，但值得做个简短的实验验证一下。这篇论文提到的一个未来的想法可能是把 k 和或 alpha 放在一个基于训练进展程度的时间表上。

总结

两个独立的研究团队在实现快速、稳定的深度学习优化算法的目标上取得了新的突破。我发现，通过结合这两个，RAdam + LookAhead，产生了一个增强的优化器(Ranger)，并在 ImageNette 验证了运行 20 个 epoch 分数的新高。

需要进一步的测试来优化 LookAhead 的 k 参数和 RAdam 学习率，但 LookAhead 和 RAdam 都减少了在达到 state of the art 之前的手动超参数调优，应该可以帮助你得到最好的训练结果。

英文原文：

https://medium.com/@lessw/new-deep-learning-optimizer-ranger-synergistic-combination-of-radam-lookahead-for-the-best-of-2dc83f79a48d

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