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  • 复现梯度爆炸与梯度消失

    在训练rnn模型时,很可能会遇到一段时间后,无论怎么训练,损失函数都不变化的情况.仿佛时间静止了一样.这时候很可能是大多数参数都不变了.也就是遇到了梯度消失的问题.

    原理

    [egin{equation*} sigma(x)=frac{1}{1+e^{-x}} end{equation*} ]

    有以下方程组

    [egin{equation*} egin{cases} z_0=2w_0+b_0 \ z_1=sigma(z_0)w_1+b_1 \ z_2=sigma(z_1)w_2+b_2 \ z_3=sigma(z_2)w_3+b_3 \ z_4=sigma(z_3)w_4+b_4 \ z_5=sigma(z_4)w_5+b_5 \ z=sigma(z_5) \ end{cases} end{equation*} ]

    设某个模型的损失函数为(z),现在求(z)(w_0)的偏导.

    [frac{partial z}{partial w_0}=2sigma'(z_5)w_5sigma'(z_4)w_4sigma'(z_3)w_3sigma'(z_2)w_2sigma'(z_1)w_1sigma'(z_0) ]

    (sigma'(z_i)) 的范围在(0,1)之间.6个小于1的数相乘,会导致结果非常接近0.这就造成(w_0)的梯度很小,在训练的过程中(w_0)变化特别慢,这就是梯度消失的原因.反过来看,当(w_i)很大时,5个很大的数相乘,会造成(w_0)的梯度特别大,更新一次就可能越过极值.这就是梯度爆炸的原因.

    用tensorflow求偏导

    为了重现梯度消失,要把梯度的值打印出来.所以先介绍怎么用tensorflow求偏导.假设某个模型的损失函数如下所示:

    [egin{equation*} z=x^2+y^2 end{equation*} ]

    现在从(1,1)开始用反向传播算法,让(z)逐渐减少.因为这个函数简单,可以先自己编码求偏导,代码如下:

    # coding:utf-8
    from __future__ import unicode_literals
    from __future__ import print_function
    from __future__ import division
    learning_rate = 0.1
    def z(x, y):
        return x * x + y * y
    x = 1
    y = 1
    for i in range(10):
        dx = 2 * x
        dy = 2 * y
        x -= dx * learning_rate
        y -= dy * learning_rate
        print("step={},dx={:.4f},x={:.4f},z={:.4f}".format(i, dx, x, z(x, y)))
        print("step={},dy={:.4f},y={:.4f},z={:.4f}".format(i, dy, y, z(x, y)))
    

    再用tensorflow实现:

    # coding:utf-8
    from __future__ import unicode_literals
    from __future__ import print_function
    from __future__ import division
    import tensorflow as tf
    x = tf.Variable(1, dtype=tf.float32, name="x")
    y = tf.Variable(1, dtype=tf.float32, name="y")
    z = x * x + y * y
    optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.1)
    gra_and_var = optimizer.compute_gradients(z, [x, y])
    train_step = optimizer.apply_gradients(gra_and_var)
    init = tf.global_variables_initializer()
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(init)
        for i in range(10):
            sess.run(train_step)
            r_z, r_gv = sess.run([z, gra_and_var])
            print("step={},dx={:.4f},x={:.4f},z={:.4f}".format(i, r_gv[0][0], r_gv[0][1], r_z))
            print("step={},dy={:.4f},y={:.4f},z={:.4f}".format(i, r_gv[1][0], r_gv[1][1], r_z))
    

    两段代码的结果是一样的.optimizer.compute_gradients(z, [x, y])是对 (z) 分别求(x),(y)的偏导,返回一个list,list的每个元素是1个2元组.2元组第1个元素是变量的梯度,第2个元素是变量的值.可以用这种方法看到训练过程中梯度变化的情况.

    复现梯度消失

    定义一个不太简单也不太复杂的损失函数:

    [egin{equation*} egin{cases} z_0=2w_0+b_0 \ z_1=sigma(z_0)w_1+b_1 \ z_2=sigma(z_1)w_2+b_2 \ z=sigma(z_2) \ end{cases} end{equation*} ]

    用反向传播算法调整各变量让(z)不断减少.代码如下:

    # coding:utf-8
    from __future__ import unicode_literals
    from __future__ import print_function
    from __future__ import division
    
    import tensorflow as tf
    
    
    w0 = tf.Variable(0.5, dtype=tf.float32, name="w0")
    b0 = tf.Variable(0.5, dtype=tf.float32, name="b0")
    
    w1 = tf.Variable(0.5, dtype=tf.float32, name="w1")
    b1 = tf.Variable(0.5, dtype=tf.float32, name="b1")
    
    w2 = tf.Variable(0.5, dtype=tf.float32, name="w2")
    b2 = tf.Variable(0.5, dtype=tf.float32, name="b2")
    
    
    z = tf.sigmoid(tf.sigmoid(tf.sigmoid(2 * w0 + b0) * w1 + b1) * w2 + b2)
    optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.1)
    gra_and_var = optimizer.compute_gradients(z, [w0, b0, w1, b1, w2, b2])
    train_step = optimizer.apply_gradients(gra_and_var)
    
    init = tf.global_variables_initializer()
    
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(init)
        for i in range(1000):
            sess.run(train_step)
            r_z, r_gv = sess.run([z, gra_and_var])
            print("step={},dw0={:.4f},w0={:.4f},z={:.4f}".format(i, r_gv[0][0], r_gv[0][1], r_z))
            print("step={},db0={:.4f},b0={:.4f},z={:.4f}".format(i, r_gv[1][0], r_gv[1][1], r_z))
            print("step={},dw1={:.4f},w1={:.4f},z={:.4f}".format(i, r_gv[2][0], r_gv[2][1], r_z))
            print("step={},db1={:.4f},b1={:.4f},z={:.4f}".format(i, r_gv[3][0], r_gv[3][1], r_z))
            print("step={},dw2={:.4f},w2={:.4f},z={:.4f}".format(i, r_gv[4][0], r_gv[4][1], r_z))
            print("step={},db3={:.4f},b2={:.4f},z={:.4f}".format(i, r_gv[5][0], r_gv[5][1], r_z))
    

    把最后几次的输出列出来:

    step=998,dw0=-0.0004,w0=0.5947,z=0.0061
    step=998,db0=-0.0002,b0=0.5474,z=0.0061
    step=998,dw1=-0.0014,w1=0.9078,z=0.0061
    step=998,db1=-0.0017,b1=0.9895,z=0.0061
    step=998,dw2=0.0052,w2=-2.2514,z=0.0061
    step=998,db2=0.0061,b2=-3.1738,z=0.0061
    step=999,dw0=-0.0004,w0=0.5948,z=0.0061
    step=999,db0=-0.0002,b0=0.5474,z=0.0061
    step=999,dw1=-0.0014,w1=0.9080,z=0.0061
    step=999,db1=-0.0017,b1=0.9897,z=0.0061
    step=999,dw2=0.0052,w2=-2.2519,z=0.0061
    step=999,db2=0.0060,b2=-3.1744,z=0.0061
    

    当step=999时,dw2为0.0052,dw1为-0.0014,dw0为-0.0004.dw0已经非常接近0.也就是在训练过程中(w_0)变化非常慢.这还是3层网络,假定是100层.那(w_0)就基本等于0个.无论怎么训练(w_0)都不会怎么变化.想复现梯度爆炸,可以把各个w调大一点,比如100以上.同样的代码,看看效果.

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