Adam那么棒，为什么还对SGD念念不忘 (2)

2018 年 1 月 1 日 AI研习社 Julius

一代又一代的研究者们为了我们能炼（xun）好（hao）金（mo）丹（xing）可谓是煞费苦心。从理论上看，一代更比一代完善，Adam/Nadam已经登峰造极了，为什么大家还是不忘初心SGD呢？

上篇文章中（ Adam 那么棒，为什么还对 SGD 念念不忘 (1) —— 一个框架看懂优化算法），我们用一个框架来回顾了主流的深度学习优化算法。可以看到，一代又一代的研究者们为了我们能炼（xun）好（hao）金（mo）丹（xing）可谓是煞费苦心。从理论上看，一代更比一代完善，Adam/Nadam已经登峰造极了，为什么大家还是不忘初心SGD呢？

举个栗子。很多年以前，摄影离普罗大众非常遥远。十年前，傻瓜相机开始风靡，游客几乎人手一个。智能手机出现以后，摄影更是走进千家万户，手机随手一拍，前后两千万，照亮你的美（咦，这是什么乱七八糟的）。但是专业摄影师还是喜欢用单反，孜孜不倦地调光圈、快门、ISO、白平衡……一堆自拍党从不care的名词。技术的进步，使得傻瓜式操作就可以得到不错的效果，但是在特定的场景下，要拍出最好的效果，依然需要深入地理解光线、理解结构、理解器材。

优化算法大抵也如此。在上一篇中，我们用同一个框架让各类算法对号入座。可以看出，大家都是殊途同归，只是相当于在SGD基础上增加了各类学习率的主动控制。如果不想做精细的调优，那么Adam显然最便于直接拿来上手。

但这样的傻瓜式操作并不一定能够适应所有的场合。如果能够深入了解数据，研究员们可以更加自如地控制优化迭代的各类参数，实现更好的效果也并不奇怪。毕竟，精调的参数还比不过傻瓜式的SGD，无疑是在挑战顶级研究员们的炼丹经验！

最近，不少paper开怼Adam，我们简单看看都在说什么：

Adam罪状一：可能不收敛

这篇是正在深度学习领域顶级会议之一 ICLR 2018 匿名审稿中的一篇论文《On the Convergence of Adam and Beyond》，探讨了Adam算法的收敛性，通过反例证明了Adam在某些情况下可能会不收敛。

回忆一下上文提到的各大优化算法的学习率：

其中，SGD没有用到二阶动量，因此学习率是恒定的（实际使用过程中会采用学习率衰减策略，因此学习率递减）。AdaGrad的二阶动量不断累积，单调递增，因此学习率是单调递减的。因此，这两类算法会使得学习率不断递减，最终收敛到0，模型也得以收敛。

但AdaDelta和Adam则不然。二阶动量是固定时间窗口内的累积，随着时间窗口的变化，遇到的数据可能发生巨变，使得可能会时大时小，不是单调变化。这就可能在训练后期引起学习率的震荡，导致模型无法收敛。

这篇文章也给出了一个修正的方法。由于Adam中的学习率主要是由二阶动量控制的，为了保证算法的收敛，可以对二阶动量的变化进行控制，避免上下波动。

通过这样修改，就保证了

从而使得学习率单调递减。

Adam罪状二：可能错过全局最优解

深度神经网络往往包含大量的参数，在这样一个维度极高的空间内，非凸的目标函数往往起起伏伏，拥有无数个高地和洼地。有的是高峰，通过引入动量可能很容易越过；但有些是高原，可能探索很多次都出不来，于是停止了训练。

近期Arxiv上的两篇文章谈到这个问题。

第一篇就是前文提到的吐槽Adam最狠的UC Berkeley的文章《The Marginal Value of Adaptive Gradient Methods in Machine Learning》。文中说到，同样的一个优化问题，不同的优化算法可能会找到不同的答案，但自适应学习率的算法往往找到非常差的答案（very poor solution）。他们设计了一个特定的数据例子，自适应学习率算法可能会对前期出现的特征过拟合，后期才出现的特征很难纠正前期的拟合效果。但这个文章给的例子很极端，在实际情况中未必会出现。

另外一篇是《Improving Generalization Performance by Switching from Adam to SGD》，进行了实验验证。他们CIFAR-10数据集上进行测试，Adam的收敛速度比SGD要快，但最终收敛的结果并没有SGD好。他们进一步实验发现，主要是后期Adam的学习率太低，影响了有效的收敛。他们试着对Adam的学习率的下界进行控制，发现效果好了很多。

于是他们提出了一个用来改进Adam的方法：前期用Adam，享受Adam快速收敛的优势；后期切换到SGD，慢慢寻找最优解。这一方法以前也被研究者们用到，不过主要是根据经验来选择切换的时机和切换后的学习率。这篇文章把这一切换过程傻瓜化，给出了切换SGD的时机选择方法，以及学习率的计算方法，效果看起来也不错。

这个算法挺有趣，下一篇我们可以来谈谈，这里先贴个算法框架图：

到底该用Adam还是SGD？

所以，谈到现在，到底Adam好还是SGD好？这可能是很难一句话说清楚的事情。去看学术会议中的各种paper，用SGD的很多，Adam的也不少，还有很多偏爱AdaGrad或者AdaDelta。可能研究员把每个算法都试了一遍，哪个出来的效果好就用哪个了。毕竟paper的重点是突出自己某方面的贡献，其他方面当然是无所不用其极，怎么能输在细节上呢？

而从这几篇怒怼Adam的paper来看，多数都构造了一些比较极端的例子来演示了Adam失效的可能性。这些例子一般过于极端，实际情况中可能未必会这样，但这提醒了我们，理解数据对于设计算法的必要性。优化算法的演变历史，都是基于对数据的某种假设而进行的优化，那么某种算法是否有效，就要看你的数据是否符合该算法的胃口了。

算法固然美好，数据才是根本。

另一方面，Adam之流虽然说已经简化了调参，但是并没有一劳永逸地解决问题，默认的参数虽然好，但也不是放之四海而皆准。因此，在充分理解数据的基础上，依然需要根据数据特性、算法特性进行充分的调参实验。

少年，好好炼丹吧。

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