深度学习中防止过拟合的方法

深度学习由于超参数的个数比较多，训练样本数目相对超参数来说略显不足，一不小心就容易发生过拟合。从本质上来说，过拟合是因为模型的学习能力太强，除了学习到了样本空间的共有特性外，还学习到了训练样本集上的噪声。因为这些噪声的存在，导致了模型的泛化性能下降。在深度学习中如何克服过拟合的问题呢？一般来说有以下4种方法：

1 data augmentation

　　data augmentation即数据增强，数据增强其实是增加训练样本的一种方法。以人脸识别为例，对于人脸识别的数据增强，一般有随机裁剪，随机加光照，随机左右翻转等。

　　随机裁剪：比如人脸图片本身大小是256*256，随机裁剪每次从256*256的图像里扣出227*227大小的像素点（像素点的原本位置不一定连续）构成训练样本
　　随机加光照：随机加光照其实就是对像素点随机乘以scale或者随机加bias，这样其实可以提高模型对于光照条件的鲁棒性，使得模型克服外部光照的影响，学习人脸的本质特征
随机左右翻转：人脸是一个左右接近对称的结构，但是左右又不完全一样，通过随机左右翻转可以提高样本的多样性（那么上下翻转可以吗？当然不可以了！人脸并不具备上下对称的特性。）

　　通过类似的手段，无论是图像处理，还是语音或者自然语言处理，我们都能有效地增加样本数量。更多的训练样本意味着模型能够学到更多的本质特征，具有对于噪声更好的鲁棒性，从而具有更好的泛化性能，能够有效地避免过拟合。

2 early stopping

　　early stopping，顾名思义，就是在训练次数没有达到预先设定的最大训练次数时，我们就让网络停止训练。采用early stopping需要我们在训练集合上划分出一小部分（大概10%~30%吧）作为验证集，验证集不参与训练，可以视为是我们知道结果的测试集。我们通过实时监控模型在验证集上的表现来（实时监控并不意味着每次迭代都去监控，可以每1000次去观察一次），一旦模型在验证集上的表现呈现下降趋势，我们就停止训练，因为再训练下去模型的泛化性能只会更差。

　　而实际训练中，我们不可能一直坐在电脑旁观察验证集的准确率，更一般的做法是每隔一段时间（比如每1000次迭代）就保存一次模型，然后选择在验证集上效果最好的模型作为最终的模型。

3 dropout

　　dropout技术是hinton大神（https://www.cs.toronto.edu/~hinton/absps/JMLRdropout.pdf ）提出来的防止过拟合的方法。原理非常简单，dropout的作用对象是layer，对于某一层中的每个节点，dropout技术使得该节点以一定的概率p不参与到训练的过程中（即前向传导时不参与计算，bp计算时不参与梯度更新），如上图所示。实验证明了，dropout的效果非常爆炸，对于模型训练有非常好的效果。为什么dropout能起到这么大作用呢？一个原因是通过dropout，节点之间的耦合度降低了，节点对于其他节点不再那么敏感了，这样就可以促使模型学到更加鲁棒的特征；第二个是dropout layer层中的每个节点都没有得到充分的训练（因为它们只有一半的出勤率），这样就避免了对于训练样本的过分学习；第三个原因是在测试阶段，dropout layer的所有节点都用上了，这样就起到了ensemble的作用，ensemble能够有效地克服模型的过拟合。

4 weight penality L1&L2

　　第四种常用的办法就是weight decay,weight decay通过L1 norm和L2 norm强制地让模型学习到比较小的权值。这里说明两个问题：1 为什么L1和L2 norm能够学习到比较小的权值？ 2 为什么比较小的权值能够防止过拟合？

　　对于问题1：

　　首先看一下L1和L2的定义：