【专知-PyTorch手把手深度学习教程05】Dropout快速理解与PyTorch实现: 图文+代码

2017 年 10 月 6 日 专知 huaiwen/jin

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< 一文带你入门优雅的Pytorch >
< 快速理解系列(一): 图文+代码, 让你快速理解CNN>
< 快速理解系列(二): 图文+代码, 让你快速理解LSTM>
< 快速理解系列(三): 图文+代码, 让你快速理解GAN >
< 快速理解系列(四): 图文+代码, 让你快速理解Dropout >
< NLP系列(一) 用Pytorch 实现 Word Embedding >
< NLP系列(二) 基于字符级RNN的姓名分类 >
< NLP系列(三) 基于字符级RNN的姓名生成 >

Dropout

学过神经网络的童鞋应该知道神经网络很容易过拟合。而且，如果要用集成学习的思想去训练非常多个神经网络，集成起来抵制过拟合，这样开销非常大并且也不一定有效。于是，这群大神提出了Dropout方法：在神经网络训练时，随机把一些神经单元去除，“瘦身”后的神经网络继续训练，最后的模型，是保留所有神经单元，但是神经的连接权重w乘上了一个刚才随机去除指数p.

左边是标准神经网络，右边是使用Dropout的神经网络，可见只是连接度少了一些，并不影响模型继续训练。其实，Dropout动机和初衷非常有意思。

文章里也谈到，可以类比人类男性和女性的基因。人类通过成千上万年进化，依然保持着这样的繁衍方式：男人贡献一半基因序列，女人贡献一半基因序列，最后组成后代的完整基因序列。当我们观察男人基因序列中的一个基因片段，它不仅要和男人基因序列很好地组合与配合，在繁衍后代时，也要和女人的那一半基因序列组合和配合，这个较好的一个基因片段一定要在两个情况下都很好的适应才行，这正像神经网络中的一个神经元，它要在各个情况下都很好地适应训练，所以，我们要Dropout一些神经元啊！

再来关注一个神经元：

需要指出的是，在训练时，权重参数w是共享的。就是说，只要连接权重的神经单元不dropout，那么每次调参时，权重接着调整参数值。换句话说，权重参数个数和不用Dropout的神经网络参数个数是一样的。不同的是，见上图，在训练时，每个神经单元都可能以概率p去除；在测试阶段，每个神经单元都是存在的，权重参数w要乘以p，成为：pw。

接下来看一下，每层Dropout网络和传统网络计算的不同之处：

最后就是一些实验结果和对比了，直接上代码

import torch
from torch.autograd import Variable
import matplotlib.pyplot as plt

torch.manual_seed(1)

lr = 0.1

N_SAMPLES = 20
N_HIDDEN = 300

# 训练数据
x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, N_SAMPLES), 1)
y = x + 0.3*torch.normal(torch.zeros(N_SAMPLES, 1), torch.ones(N_SAMPLES, 1))
x, y = Variable(x), Variable(y)

# 测试数据
test_x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, N_SAMPLES), 1)
test_y = test_x + 0.3*torch.normal(torch.zeros(N_SAMPLES, 1), torch.ones(N_SAMPLES, 1))
test_x, test_y = Variable(test_x, volatile=True), Variable(test_y, volatile=True)

# 展示一下数据分布
plt.scatter(x.data.numpy(), y.data.numpy(), c='magenta', s=50, alpha=0.5, label='train set')
plt.scatter(test_x.data.numpy(), test_y.data.numpy(), c='cyan', s=50, alpha=0.5, label='test set')
plt.legend(loc='upper left')
plt.ylim((-2.5, 2.5))
plt.show()

net_overfitting = torch.nn.Sequential(
    torch.nn.Linear(1, N_HIDDEN),
    torch.nn.ReLU(),
    torch.nn.Linear(N_HIDDEN, N_HIDDEN),
    torch.nn.ReLU(),
    torch.nn.Linear(N_HIDDEN, 1),
)

net_dropped = torch.nn.Sequential(
    torch.nn.Linear(1, N_HIDDEN),
    torch.nn.Dropout(0.5),  # drop out 0.5
    torch.nn.ReLU(),
    torch.nn.Linear(N_HIDDEN, N_HIDDEN),
    torch.nn.Dropout(0.5),  # drop out 0.5
    torch.nn.ReLU(),
    torch.nn.Linear(N_HIDDEN, 1),
)

print(net_overfitting)  # 会过拟合的网络结构
"""
Sequential (
  (0): Linear (1 -> 300)
  (1): ReLU ()
  (2): Linear (300 -> 300)
  (3): ReLU ()
  (4): Linear (300 -> 1)
)
"""


print(net_dropped)      # 使用了Dropout的网络结构
"""
Sequential (
  (0): Linear (1 -> 300)
  (1): Dropout (p = 0.5)
  (2): ReLU ()
  (3): Linear (300 -> 300)
  (4): Dropout (p = 0.5)
  (5): ReLU ()
  (6): Linear (300 -> 1)
)
"""



optimizer_ofit = torch.optim.Adam(net_overfitting.parameters(), lr=lr)
optimizer_drop = torch.optim.Adam(net_dropped.parameters(), lr=lr)
loss_func = torch.nn.MSELoss()

plt.ion()   # hold住图

for t in range(500):
    pred_ofit = net_overfitting(x)
    pred_drop = net_dropped(x)
    loss_ofit = loss_func(pred_ofit, y)
    loss_drop = loss_func(pred_drop, y)

    optimizer_ofit.zero_grad()
    optimizer_drop.zero_grad()
    loss_ofit.backward()
    loss_drop.backward()
    optimizer_ofit.step()
    optimizer_drop.step()

    if t % 10 == 0:
        # 切换到测试形态
        net_overfitting.eval()
        net_dropped.eval()

        # 画一下
        plt.cla()
        test_pred_ofit = net_overfitting(test_x)
        test_pred_drop = net_dropped(test_x)
        plt.scatter(x.data.numpy(), y.data.numpy(), c='magenta', s=50, alpha=0.3, label='train set')
        plt.scatter(test_x.data.numpy(), test_y.data.numpy(), c='cyan', s=50, alpha=0.3, label='test set')
        plt.plot(test_x.data.numpy(), test_pred_ofit.data.numpy(), 'r-', lw=3, label='no dropout')
        plt.plot(test_x.data.numpy(), test_pred_drop.data.numpy(), 'b--', lw=3, label='dropout(50%)')
        plt.text(0, -1.2, 'no dropout loss=%.4f' % loss_func(test_pred_ofit, test_y).data[0], fontdict={'size': 20, 'color':  'red'})
        plt.text(0, -1.5, 'dropout loss=%.4f' % loss_func(test_pred_drop, test_y).data[0], fontdict={'size': 20, 'color': 'blue'})
        plt.legend(loc='upper left'); plt.ylim((-2.5, 2.5));plt.pause(0.1)

        # 切换回训练形态
        net_overfitting.train()
        net_dropped.train()

plt.ioff()
plt.show()