随着Batch size增加，最佳learning rate如何选择？

最近读到《Surge Phenomenon in Optimal Learning Rate and Batch Size Scaling》这篇论文，里面通过实验和理论证明了learning rate和batch size之间的关系，觉得很有意思，就简答写个blog记录下。

1. 简介

• 在影响模型训练效果的所有参数中，batch size与learning rate是最为重要的。随着训练数据的增加，为了加快训练效率，batch size变的越来越大，那么如果选择最佳的learning rate就成为了难题。
• 在SGD优化器中，一些研究表明，learning rate与batch size之间有平方根[1]，线性关系[2]等。在比较大的batch size下，一些理论和实验表明：
  
• 在类Adam优化器中，batch size与learning rate之间并没有上面的关系。一开始learning rate随着batch size增大而增大，随后达到一个点后，会随着batch size增加而降低，同时，随着训练不断进行，$B_{noise}$会不断后移。 具体关系可以参考下面的图：
  
  根据empirical model[3]，batch size与optimal learning rate之间有下述的关系：
  
  这里的$B_{noise}$表示数据有效性与训练速度之间的trade-off，当Batch size等于$B_{noise}$时，optimal learning rate达到局部最大。对于SGD，当B<<$B_{noise}$时，learning rate与batch size呈现线性关系。
  
  对于Adam优化器，则呈现平方根关系。
  

2. 理论

3. 实验

• 记录在每个batch size下，不同的实际处理的step数S与处理的训练样本数E在达到具体loss的时候对应的optimal learning rate，可以得到：
  
  然后，用不同batch size下的optimal learning rate搜索结果估计出类Adam优化器的最大的optimal learning rate：
  
  类SGD的最大optimal learning rate为：
  

• 训练参数如上表所示，总共训练了三个模型，分别为5层的CNN，ResNet18及DiltilGPT2.
  
  从上图中可以看出，在达到$B_{noise}$前，optimal learning rate随着batch size增加而增加，当达到$B_{noise}$后，optimal learning rate会逐渐降低。同时，随着训练的不断进行，$B_{noise}$会不断的向右偏移。
  

4. 总结

• 一开始learning rate随着batch size增大而增大，随后达到一个点后，会随着batch size增加而降低，同时，随着训练不断进行，$B_{noise}$会不断后移。
• 为了加速训练进程，可以设计自适应的learning rate和batch size。

5. 参考文献

• [1] One weird trick for parallelizing convolutional neural networks
• [2] Learning rates as a function of batch size: A random matrix theory approach to neural network training
• [3] An empirical model of large-batch training