算法工程师的修养 | pytorch 优化器与学习率 设置详解
点击量: 发布时间:2024-07-01 15:23:10

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作者小新?编辑极市平台
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学习率设置对于学习过程来说相当重要。学习率过低会导致学习速度太慢,学习率过高又容易导致难以收敛。在很多学习过程中,都会采用动态调整学习率的方法。刚开始训练的时候,学习率设置大一点,以加快学习速度;之后逐渐减小学习率,来寻找最优解。

那么在Pytorch中,如在训练过程中动态地调整学习率呢?

目录

  • 优化器Optimizer

    • 只训练模型的一部分参数

    • 不同部分的参数设置不同的学习率(以及其他属性)

    • Optimizer基本属性

    • optimizer基本方法

  • 动态更新learning rate

    • torch.optim.lr_scheduler

    • torch.optim.lr_scheduler.LambdaLr

    • torch.optim.lr_scheduler.StepLR

    • torch.optim.lr_scheduler.MultiStepLR

    • torch.optim.lr_scheduler.ExponentialLR

    • torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR

    • torch.optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau

    • 手动修改lr

在说学习率调整方法之前,先来了解一下Pytorch中的优化器Optimizer机制。

用过Pytorch的都知道,模型训练时的固定搭配。

 
 

简单来说,loss.backward()就是反向计算出各参数的梯度,然后optimizer.step()就是更新网络中的参数,optimizer.zero_grad()将这一轮的梯度清零,防止这一轮的梯度影响下一轮的更新。

常用优化器都在torch.optim包中,因此需要先导入包:

 
 

这里以常用的Adam优化器和SGD优化器为例,介绍一下Pytorch中的优化器使用方法。

假设我们有一个网络如下,下面的例子都以此网络作为例子:

 
  
 

所有Optimizer公有的一些基本属性:

  • lr: learning rate,学习率

  • eps: 学习率最小值,在动态更新学习率时,学习率最小不会小于该值。

  • weight_decay: 权值衰减。相当于对参数进行L2正则化(使模型复杂度尽可能低,防止过拟合),该值可以理解为正则化项的系数。

  • betas: (待研究)

  • amsgrad: (bool)(待研究)

每个Optimizer都维护一个param_groups的list。该list中维护需要优化的参数以及对应的属性设置。

optimizer基本方法

  • add_param_group(param_group): 为optimizer的param_groups增加一个参数组。这在微调预先训练的网络时非常有用,因为冻结层可以训练并随着训练的进行添加到优化器中。

  • load_state_dict(state_dict): 加载optimizer state。参数必须是optimizer.state_dict()返回的对象。

  • state_dict(): 返回一个dict,包含optimizer的状态:state和param_groups。

  • step(closure): 执行一次参数更新过程。

  • zero_grad(): 清除所有已经更新的参数的梯度。

我们在构造优化器时,最简单的方法通常如下:

 
 

返回网络model的全部参数。

将model的全部参数传入Adam中构造出一个Adam优化器,并设置 learning rate=0.1。因此该 Adam 优化器的 param_groups 维护的就是模型 model 的全部参数,并且学习率为0.1。这样在调用时,就会对model的全部参数进行更新。

Optimizer的param_groups是一个list,其中的每个元素都是一组独立的参数,以dict的方式存储。结构如下:

 
 

这样可以实现很多灵活的操作,比如以下。

只训练模型的一部分参数

例如,只想训练上面的model中的layer参数,而保持layer2的参数不动。可以如下设置Optimizer:

 
 
不同部分的参数设置不同的学习率(以及其他属性)

例如,要想使model的layer参数学习率为0.1,layer2的参数学习率为0.2,可以如下设置Optimizer:

 
 

这种方法更为灵活,手动构造一个params_dict列表来初始化Optimizer。注意,字典中的参数部分的 key 必须为 ‘params’。

这样就可以灵活的设置Optimizer啦。

了解了Optimizer的基本结构和使用方法,接下来就可以看一下,如何在训练过程中动态更新learning rate。

手动修改lr

上面我们了解到,Optimizer的每一组参数维护一个lr,因此,最直接的方法就是我们在训练过程中手动修改Optimizer中对应的lr的值:

 
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手动修改lr

torch.optim.lr_scheduler

包中提供了一些类,用于动态修改lr。

注意: pytorch 1.1.0版本之后,在创建了lr_scheduler对象之后,会自动执行第一次lr更新(可以理解为执行一次scheduler.step())。因此,在使用的时候,需要先调用optimizer.step(),再调用scheduler.step()。如果创建了lr_scheduler对象之后,先调用scheduler.step(),再调用optimizer.step(),则会跳过了第一个学习率的值。

 
 

注意: 创建scheduler时,所传入的Optimizer的param_groups必须有一个initial_lr键作为初始学习率。如果last_epoch=-1,则用于初始化的Optimizer可以没有initial_lr键,以 lr 键初始化为initial_lr。

torch.optim.lr_scheduler.LambdaLr

  • Optimizer:优化器实例

  • lr_lambda:是一个函数(常用lambda表达式)或函数列表,该函数接收一个int参数(epoch),然后计算出一个系数α,最后学习率更新为 。其中lr_lambda如果传入多个函数的list的话,则对应每组param_groups的学习率调整策略。

  • last_epoch:(int)上一个epoch数。默认为-1,且当last_epoch=-1时,将lr设置为initial_lr。第一次更新lr时,就按照epoch = last_epoch + 1更新。(比如last_epoch = 1,则第一次lr更新时,就将epoch=2传入上面的lr_lambda函数,得出系数α

需要注意的是,该scheduler每次lr更新,是用initial_lr 乘以系数 ? α,而不是用上一次的lr 乘以系数 α,即

839266289dbbc1ea92dde18370cdebec.png
Lambda_lr
torch.optim.lr_scheduler.StepLR


每迭代step_size次,学习率乘以gamma。

 
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StepLR
torch.optim.lr_scheduler.MultiStepLR

多段衰减法。milestones传入一个list,指定多个epoch数,每迭代到指定的epoch次数时,lr乘以gamma。
例子:

 
 329763bdfc27b8111e4dc7034d0881da.png 
 
MultiStepLR
torch.optim.lr_scheduler.ExponentialLR

每个epoch按指数衰减 lr。

 
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ExponentialLR
torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR

按照三角函数规则来更新学习率。

  • 表示最小学习率, 即正弦函数最低点

  • 表示最大学习率, 设置为initial_Ir (在last_epoch=-1 时, 即为Ir)。

  • 表示当前epoch数

  • 表示 个 周期所对应的epoch数值

 
 411d725ccd77483de09be33396c04f44.png 
 
CosineAnnealingLR
torch.optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau

根据指定的指标量来调整学习率。如果指标量停止变化时,就减小学习率。
参数:

  • mode:(str),从(min, max)中选择。

    • min:如果指定量不再下降,就减小lr

    • max:如果指定量不再上升,就减小lr

  • factor:(float),衰减因子,每次更新lr = lr * factor

  • patience:(int),容忍度,如果经过patience次迭代后,指标没有变化(上升或下降),就更新lr。

  • verbose:(bool),每次更新lr,是否向std输出。

  • threshold:(float),阈值,对于制定的指标只有超过阈值才算有变化

  • threshold_mode:(str),从(rel,abs)总选择。性能衡量方式。

    • max模式下:dynamic_threshold = best + threshold

    • min模式下:dynamic_threshold = best - threshold

    • max模式下:dynamic_threshold = best * ( 1 + threshold )

    • min模式下:dynamic_threshold = best * ( 1 - threshold )

    • rel:

    • abs:

  • cooldown:(int),每次调整lr之后,冷却cooldown个epoch,避免lr下降过快

  • min_lr:(float or list),学习率最小值。如果给定一个标量值,就param_groups中所有组都设置该最小值;也可以用一个list为每组指定一个最小值。

  • eps:(float),lr变化最小值,如果lr的两次变化差距小于eps,则忽略这次变化。

 
  
 

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