深入理解dropout(原理+手动实现+实战)

发表于2020-11-24更新于2022-06-05字数统计1.7k阅读时长10分

在这篇博客中你可以学到

  • 什么是dropout
  • dropout为什么有用
  • dropout中的多模型原理
  • 手动实现dropout
  • 在pytorch中使用dropout

当训练一个深度神经网络时， 我们可以随机丢弃一部分神经元（同时丢弃其对应的连接边）来避免过拟合，这种方法就称为dropout(丢弃法)。

每次选择丢弃的神经元是随机的．最简单的方法是设置一个固定的概率 p．对每一个神经元都以概率 p 随机丢弃（即置0），其原理如下：
在这里插入图片描述
上图，Bernoulli是概率p的伯努利分布，取值为0或1，即该分布中的每一个元素取值为0的概率是p，y(l)y_{}^{\left( l \right)}表示第 ll 个全连接层（或卷积层），x是特征向量

在没有使用dropout的情况下，第 ll 层的神经元的值经过线性（或卷积）运算后，通过激活函数输出。

如果使用了dropout，第 ll 层的神经元的值乘上概率为p的Bernoulli分布，假如第 ll 层有10个神经元，那么产生的Bernoulli分布可能是[0,1,1,0,0,1,0,0,0,1]T[0,1,1,0,0,1,0,0,0,1]^T（相当于以概率p=0.6随机将ll 层的神经元置0），然后第 ll 层神经元的输出在第 l+1l+1 层经过线性（或卷积）运算后，再通过激活函数输出

在train阶段，dropout的本质通过在学习过程中随机删除神经元，从而每一次都让不同的模型进行学习。比如，以概率 p=0.6 随机将神经元置0，就相当于在10个神经元选4个神经元输出(4个神经元在工作，另外6神经元置0)，这时我们就相当于训练了 C104C_{10}^4 个模型，只是每个模型的参数量更少了（这也就是集成学习的思想）。使用了dropout的神经网络如下图所示：

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左图是一般的神经网络，右图是应用了Dropout的网络，Dropout通过随机选择并删除神经元，停止向前传递信号

机器学习中经常使用集成学习。所谓集成学习，就是让多个模型单独进行学习，推理时再取多个模型的输出的平均值。用神经网络的语境来说，比如，准备5个结构相同（或者类似）的网络，分别进行学习，测试时，以这 5 个网络的输出的平均值作为答案。实验告诉们，通过进行集成学习，神经网络的识别精度可以提高好几个百分点，这个集成学习与Dropout 有密切的关系。这是因为可以将Dropout理解为，通过在学习过程中随机删除神经元，从而每一次都让不同的模型进行学习。并且，推理时，通过对神经元的输出乘以删除比例（比如，0.5 等），可以取得模型的平均值。

由于在测试时， 所有的神经元都是可以激活的， 这会造成训练和测试时网络的输出不一致，那么，测试的时候该怎么办呢？

答案是测试的时候让每个模型投票来得到结果。

比如，训练的时候，10个神经元置中6个置为0(p=0.6，相当于训练时随机删除了6个神经元，只有4个神经元在工作)，测试的时候是用10个神经元来投票，那么每个神经元的权重是0.4（1−p=0.41- p = 0.4），操作的方法是将dropout层这10个神经元的值加起来乘以0.4，即每个神经元的值都乘以0.4。

注意，是所有神经元输出的值乘以0.4，比如 10个神经元每次只选一个神经元工作(以概率p=0.9将神经元置0)，就相当于训练了10个模型，最后这10个神经元的结果都要输出，做法是把这10个神经元的值加起来乘以0.1（测试时），即相当于投票得出了结果。但是输出的个数不能少，该输出几个数还是几个数。

有的教材设定保留神经元的概率为p（保留率），即神经元有效的概率是p，那么，测试的时候将dropout层的神经元乘以 p 输出，而这里神经元无效的概率是p（废弃率），因此，测试的时候将dropout层的神经元乘以 1-p 输出

总的来说，对于一个神经网络层 y=f(W⋅X+b)y = f\left( {W \cdot X + b} \right)，我们可以引入一个掩蔽函数mask使得 y=f(W⋅mask(X)+b)y = f\left( {W \cdot ma{\rm{s}}k(X) + b} \right) ，设神经元废弃率为 p ，掩蔽函数mask可表示为：

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一般来讲， 对于隐藏层的神经元， 其废弃率 p = 0.5 时效果最好， 这对大部分的网络和任务都比较有效． 当 p = 0.5 时， 在训练时有一半的神经元被丢弃， 只剩余一半的神经元是可以激活的， 随机生成的网络结构最具多样性，比如10个神经元随机删除5个，则可训练的模型有C105C_{10}^5，相当于取了最大值。 对于输入层的神经元， 其保留率通常设为更接近 1 的数， 使得输入变化不会太大。 对输入层神经元进行丢弃时， 相当于给数据增加噪声， 以此来提高网络的鲁棒性。

下面我们就来实现dropout吧

手动实现dropout：

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import numpy as np
class Dropout:
    def __init__(self, dropout_ratio=0.5):
        self.dropout_ratio = dropout_ratio
        self.mask = None
    def forward(self, x, train_flg=True):
        if train_flg:
            # *为序列解包
            self.mask = np.random.rand(*x.shape) > self.dropout_ratio
            return x * self.mask
        else:
            return x * (1.0 - self.dropout_ratio)
    def backward(self, dout):
        return dout * self.mask

这里的要点是，每次正向传播时，掩蔽函数self.mask中都会以False的形式保存要删除的神经元(相当于概率p的伯努利分布)。self.mask会随机生成和x形状相同的数组，并将值比dropout_ratio大的元素设为True。反向传播时的行为和ReLU相同。也就是说，正向传播时传递了信号的神经元，反向传播时按原样传递信号；正向传播时没有传递信号的神经元，反向传播时信号将停在那里。

在pytorch中使用dropout，只需要一行torch.nn.Dropout(p=0.5)即可，如下所示

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