详解TensorFlow的 tf.train.RMSPropOptimizer 函数:RMSProp 优化器

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tf.train.RMSPropOptimizer 是 TensorFlow 中实现 RMSProp 优化算法的一个类,RMSProp 算法主要用于解决神经网络训练过程中出现的梯度下降过慢的问题,以及局部最优解问题。RMSProp 与传统梯度下降法不同的地方在于调整学习率的方法,它通过指数加权平均的方式计算历史梯度的平均值,然后根据历史梯度的大小来动态调整学习率。这种方式能够使得在梯度较大时对学习率进行衰减从而避免一些不必要的震荡。

tf.train.RMSPropOptimizer 的使用方法如下:

tf.train.RMSPropOptimizer(learning_rate, decay, momentum, epsilon, use_locking=False, centered=False, name='RMSProp')

参数说明:
learning_rate: 初始学习率
decay: 控制学习率更新时历史平均梯度的权重,建议设为0.9
momentum: 控制动量的权重,默认为0,即不使用动量
epsilon: 为了避免零除错误而加入的一个值,默认为1e-10
use_locking: 是否使用锁
centered: 是否进行中心化处理,即将梯度均值为零
name: 优化器的名称

下面我们来看两个使用 tf.train.RMSPropOptimizer 的例子:

示例一

假设我们想要训练一个简单的线性回归模型,模型的输入为两个标量 $x_1$ 和 $x_2$,输出为一个标量 $y$,模型参数为 $w_1$ 和 $w_2$。我们的目标是通过 RMSProp 优化器来训练模型,使得模型能够通过输入的 $x_1$ 和 $x_2$ 输出最接近真实值的 $y$。

import tensorflow as tf

# 构建数据流图
x1 = tf.placeholder(tf.float32)
x2 = tf.placeholder(tf.float32)
y_true = tf.placeholder(tf.float32)

w1 = tf.Variable(1., dtype=tf.float32)
w2 = tf.Variable(1., dtype=tf.float32)

y_pred = w1 * x1 + w2 * x2

loss = tf.square(y_true - y_pred)

# 定义优化器
global_step = tf.Variable(0, trainable=False)
learning_rate = tf.train.exponential_decay(0.1, global_step, 100, 0.96, staircase=True)

optimizer = tf.train.RMSPropOptimizer(learning_rate=learning_rate, decay=0.9, momentum=0.0, epsilon=1e-10)

train_op = optimizer.minimize(loss, global_step=global_step)

# 训练模型
with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())
    for i in range(1000):
        x1_data = i % 10
        x2_data = i % 5
        y_true_data = 2 * x1_data + 3 * x2_data

        _, loss_value, lr = sess.run([train_op, loss, learning_rate], feed_dict={x1: x1_data, x2: x2_data, y_true: y_true_data})
        if i % 100 == 0:
            print("step: %d, loss: %f, learning_rate: %f" % (i, loss_value, lr))

代码中首先定义了模型的输入、输出和参数,然后构建了数据流图并定义了优化器。使用 RMSProp 优化器需要指定初始学习率 learning_rate、学习率更新时历史平均梯度的权重 decay 和 epsilon 值 epsilon。在本例中,还使用了经典的指数衰减学习率方法。最后我们使用会话 Session 来运行数据流图并训练模型,获取训练过程中的损失和学习率变化等信息。

示例二

假设我们要使用卷积神经网络(CNN)来训练 CIFAR-10 数据集,我们需要在 CNN 网络上使用 RMSProp 优化器进行模型训练。

import tensorflow as tf
import numpy as np

# 加载 CIFAR-10 数据
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True)

# 定义卷积神经网络
def conv_net(x, n_classes, dropout, reuse, is_training):
    with tf.variable_scope('ConvNet', reuse=reuse):

        x = tf.reshape(x, shape=[-1, 28, 28, 1])

        # 卷积层 1
        net = tf.layers.conv2d(x, 32, 5, activation=tf.nn.relu)
        net = tf.layers.max_pooling2d(net, 2, 2)

        # 卷积层 2
        net = tf.layers.conv2d(net, 64, 3, activation=tf.nn.relu)

        # 卷积层 3
        net = tf.layers.conv2d(net, 128, 3, activation=tf.nn.relu)
        net = tf.layers.max_pooling2d(net, 2, 2)

        # 全连接层
        net = tf.contrib.layers.flatten(net)
        net = tf.layers.dense(net, 1024)
        net = tf.layers.dropout(net, rate=dropout, training=is_training)

        # 输出层
        out = tf.layers.dense(net, n_classes)
        out = tf.nn.softmax(out) if not is_training else out

    return out

# 定义数据流图
input_data = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784])
input_labels = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])

dropout_rate = tf.placeholder(tf.float32)
learn_rate = tf.placeholder(tf.float32)

logits_train = conv_net(input_data, 10, dropout_rate, reuse=False, is_training=True)
loss_op = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=logits_train, labels=input_labels))
opt = tf.train.RMSPropOptimizer(learning_rate=learn_rate, decay=0.9, momentum=0.0, epsilon=1e-10)
train_op = opt.minimize(loss_op)

logits_eval = conv_net(input_data, 10, dropout_rate, reuse=True, is_training=False)
correct_pred = tf.equal(tf.argmax(logits_eval, 1), tf.argmax(input_labels, 1))
accuracy_op = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred, tf.float32))

# 训练模型
sess = tf.Session()
sess.run(tf.global_variables_initializer())

batch_size = 100
num_steps = 10000
for step in range(num_steps):
    batch_x, batch_y = mnist.train.next_batch(batch_size)

    sess.run(train_op, feed_dict={input_data: batch_x, input_labels: batch_y, dropout_rate: 0.2,
                                  learn_rate: 0.001 * (0.96 ** step)})

    if step % 500 == 0:
        loss, acc = sess.run([loss_op, accuracy_op], feed_dict={input_data: batch_x, input_labels: batch_y, dropout_rate: 0.0})
        print("Step " + str(step) + ", Minibatch Loss= " + \
              "{:.4f}".format(loss) + ", Training Accuracy= " + \
              "{:.3f}".format(acc))

本例中,我们首先定义了一个卷积神经网络 conv_net,然后定义了输入数据、标签和学习率的占位符。接下来定义了 RMSProp 优化器和训练过程,使用 opt.minimize(loss_op) 来最小化损失函数。在模型训练过程中我们使用了 mnist.train.next_batch() 函数来获取小批量数据,然后使用占位符将小批量数据喂入数据流图中进行训练。同时,也获取了训练过程中的损失和精度等信息来评估模型的性能。

通过以上两个示例,我们可以看到 tf.train.RMSPropOptimizer 的使用方法和注意点,同时也展示了训练过程中如何获取误差并进行优化。