【深度学习】（9）--调整学习率

调整学习率

调整学习率的目的是：通过调整学习率，优化训练速度、提高训练稳定性、适应不同的训练阶段以及改善模型性能。那么，学习率是如何影响模型的呢？我们又该如何调整学习率呢？

一、学习率的定义

学习率（Learning Rate），也称为步长，是深度学习中控制参数更新步长的一个超参数。在每一次迭代中，学习率决定了基于损失函数梯度的参数更新幅度。它决定了模型在优化过程中向损失函数最优解移动的步长大小。

二、学习率的作用

1. 控制参数更新的步长：学习率直接决定了在每次迭代中，参数根据梯度调整的幅度。过大的学习率可能导致参数更新幅度过大，从而在最优解附近震荡甚至发散；而过小的学习率则可能导致收敛速度过慢。
2. 平衡速度与稳定性：合理的学习率需要在保证模型稳定收敛的同时，尽可能提高训练速度。过高的学习率可能导致模型训练不稳定，而过低的学习率则可能使训练过程过于缓慢。

由上可知，学习率是深度学习中的一个关键参数，它直接影响到模型的训练效果和收敛速度。选择合适的学习率对于训练一个高性能的深度学习模型至关重要。过高的学习率可能导致模型发散或震荡，而过低的学习率则可能使训练过程过于缓慢甚至无法收敛到最优解。

所以，我们要对学习率进行调整。

三、实现调整学习率

调整学习率有两种方法：1.使用库函数进行调整；2.手动调整学习率

1. 使用库函数进行调整

Pytorch学习率调整策略通过 torch.optim.lr_sheduler 接口实现。并提供3种调整方法：有序调整、自适应调整以及自定义调整。

• （1）有序调整：等间隔调整(Step)，多间隔调整(MultiStep)，指数衰减(Exponential)，余弦退火(CosineAnnealing);

如下图所示：x轴为迭代次数，y轴表示学习率

1. 等间隔调整(Step)：

等间隔调整学习率是一种简单直接的方法，它按照预定的间隔（通常是epoch数）来调整学习率。每次调整时，学习率会乘以一个预设的衰减因子（gamma）。这种方法适合于训练过程较为稳定，且需要逐步减小学习率以避免过拟合的场景。

torch.optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size, gamma=0.1)

参数：
optimizer: 神经网络训练中使用的优化器，如optimizer=torch.optim.Adam(…)
step_size(int): 学习率下降间隔数，单位是epoch，而不是iteration.
gamma(float):学习率调整倍数，默认为0.1
每训练step_size个epoch，学习率调整为lr=lr*gamma.

代码体现：

注意：在每个epochs迭代训练时，使用**scheduler.step()**语句进行学习率更新。

optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(),lr=0.001,weight_decay=0.0001)
scheduler = torch.optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer,step_size=5,gamma=0.5)

epochs = 80
train_dataloader = DataLoader(training_data,batch_size=64,shuffle=True)
test_dataloader = DataLoader(test_data,batch_size=64,shuffle=True)
for t in range(epochs):
    print(f"Epoch {t+1} \n-------------------------")
    train(train_dataloader,model,loss_fn,optimizer)
    test(test_dataloader,model,loss_fn)
    scheduler.step()

2. 多间隔调整(MultiStep):

与Step方法类似，但可以在多个预设的epoch点进行学习率衰减，每个点可以有不同的衰减比例。这种方法提供了更多的灵活性来适应复杂的训练过程。

torch.optim.lr_shceduler.MultiStepLR(optimizer, milestones, gamma=0.1)

参数：
milestone(list): 一个列表参数，表示多个学习率需要调整的epoch值，如milestones=[10, 30, 80].

3. 指数衰减(Exponential):

学习率按照指数形式进行衰减，衰减速度由衰减率（gamma）控制。这种方法适用于模型训练初期需要较大学习率以快速收敛，后期需要较小学习率以微调模型参数的情况。

torch.optim.lr_scheduler.ExponentialLR(optimizer, gamma)

参数：
gamma(float)：学习率调整倍数的底数，指数为epoch，初始值我lr, 倍数为γ的epoch次方

4. 余弦退火(CosineAnnealing):

学习率按照余弦函数进行周期性调整，先下降后上升，形成多个学习率的波峰和波谷。这种方法有助于模型跳出局部最优解，探索更广阔的参数空间。

torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer, T_max, eta_min=0)

参数：
Tmax(int):学习率下降到最小值时的epoch数，即当epoch=T_max时，学习率下降到余弦函数最小值，当epoch>T_max时，学习率将增大；
etamin: 学习率调整的最小值，即epoch=Tmax时，lrmin=etamin, 默认为0.

• （2）自适应调整：依训练状况伺机而变，通过监测某个指标的变化情况(loss、accuracy)，当该指标不怎么变化时，就是调整学习率的时机(ReduceLROnPlateau);

torch.optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(optimizer, mode='min', factor=0.1,
patience=10,verbose=False, threshold=0.0001, threshold_mode='rel', cooldown=0, min_lr=0, eps=1e-08)

-- optimizer (Optimizer): 要调整学习率的优化器（如 SGD, Adam 等）。
-- mode (str, 可选): 指定触发学习率减少的条件。'min' 模式意味着当指标停止下降时减少学习率（即，当指标达到局部最小值				时）。'max' 模式则意味着当指标停止上升时减少学习率。默认值为 'min'。
-- factor (float, 可选): 学习率减少的因子。新的学习率将是旧学习率乘以这个因子。默认值为 0.1。
-- patience (int, 可选): 容忍多少个 epoch 指标没有改善后减少学习率。例如，如果 patience=10，则指标在 10 个 epoch 内没有		改善后，学习率将被减少。默认值为 10。
-- verbose (bool, 可选): 如果为 True，则在每次更新学习率时打印一条消息。默认值为 False。
-- threshold (float, 可选): 阈值，用于判断指标是否“真正”没有改善。只有当指标的变化小于这个阈值时，才认为指标没有改善。这有助			于避免由于指标的小幅波动而频繁调整学习率。默认值为 1e-4。
-- threshold_mode (str, 可选): 阈值的比较模式。'rel' 表示相对模式，即阈值是相对于当前最佳指标的百分比；'abs' 表示绝对模			式，即阈值是绝对数值。默认值为 'rel'。
-- cooldown (int, 可选): 在学习率被减少之后，等待多少个 epoch 再重新考虑是否减少学习率。这有助于在减少学习率后给模型一些时间		来适应新的学习率。默认值为 0，表示不等待。
-- min_lr (float 或 list, 可选): 学习率的最小值。如果为单个浮点数，则所有参数组的学习率都不会低于这个值。如果为列表，则每个参		数组的学习率都不会低于列表中对应位置的值。默认值为 0。
-- eps (float, 可选): 用于提高数值稳定性的小常数。当两个指标值非常接近时，它有助于避免除以零的错误。默认值为 1e-8。

• （3）自定义调整：通过自定义关于epoch的lambda函数调整学习率(LambdaLR)。

torch.optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda)

参数：
lr_lambda(function or list): 自定义计算学习率调整倍数的函数，通常时epoch的函数，当有多个参数组时，设为list.

2. 手动调整学习率

手动调整学习率通常涉及在训练循环中定期检查模型的性能（如验证集上的损失或准确率），并根据这些性能指标来更新学习率。

比如：

# 训练循环  
for epoch in range(num_epochs):  
    # 训练模型（省略具体代码）  
    train(model, optimizer, train_loader)  
      
    # 评估模型在验证集上的性能（省略具体代码）  
    val_loss = validate(model, val_loader)  
      
    # 根据验证集损失手动调整学习率  
    # 这里只是一个简单的示例，实际中你可能需要更复杂的逻辑  
    if epoch % 10 == 0:  # 每10个epoch检查一次  
        if val_loss < best_val_loss:  # 假设best_val_loss在循环外初始化  
            best_val_loss = val_loss  
        else:  
            # 如果验证损失没有改善，则减少学习率  
            for param_group in optimizer.param_groups:  
                param_group['lr'] *= 0.1  # 将学习率乘以0.1 

通过验证集损失，来调整学习率。

总结

本篇介绍了：

1. 通过调整学习率能够优化训练速度、提高训练稳定性、适应不同的训练阶段以及改善模型性能。
2. 调整学习率有两种方法：1.使用库函数进行调整；2.手动调整学习率
3. Pytorch学习率调整策略通过 torch.optim.lr_sheduler 接口实现。并提供3种库函数调整方法：有序调整、自适应调整以及自定义调整。
4. 在库函数调整方法中，注意在每个epochs迭代训练时，使用**scheduler.step()**语句进行学习率更新。