[Michigan DL/cs231n] 4강: Optimization

📌 본 내용은 Michigan University의 'Deep Learning for Computer Vision' 강의를 듣고 개인적으로 필기한 내용입니다. 내용에 오류나 피드백이 있으면 말씀해주시면 감사히 반영하겠습니다.
(Stanford의 cs231n과 내용이 거의 유사하니 참고하시면 도움 되실 것 같습니다)📌

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0. 이전시간 + 흐름

• Loss function종류
  • cross entropy loss
  • SVM loss
  • Full loss : regularizaton 더한 loss
• 전체 흐름
  • w와 xi, yi로 각각에 대한 점수 내고 → f(xi,w) → 각 class별 loss계산 (이때 regularization으로 과적합 방지)
  • 이번 강의 = train data에 맞고, loss 최소화 하는 W값 찾는 방법 구하기!

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1. Optimization

1) 개념

• loss function을 최소화하는 W 행렬 찾기

  

  • 해석
    • L(w) : loss function
      • 저번까지는 이 함수의 내부 초점
      • 이번에는 걍 흐름 파악 시 쓰임

2) 특징

• optimization의 직관적 생각 (= 매우 큰 고차원 풍경 가로지르기)
• (x,y)point = W height = Loss값
  
• 제일 좋은 방법: 정답 알기 →대신→반복적 개선(맨 아래로 이동)

3) Idea

a. Idea#1 : Random Search (매우 별로)

• 방법

  

  • weight 행렬을 random값으로 생성
    → 각각에 대한 loss구하기
    → 전체 추적
    → 가장 낮은 loss찾기

    

  • 가장 loss가 작은 W로 input과 내적해서 score얻기

    → 얻은 점수들 중 젤 큰애를 predict값으로 설정

    → 정확도 계산(최종 예측 점수)
    

b. Idea#2 : Follow the Slope

• 방법

  • 낮은 기울기 따라가기 → 계속 따라가다보면 → 가장 낮은 지점에 도달 할 것
    

• 1차원 도함수

  

  • input & output 모두 single scalar
  • 미분 정의 가능
  • 어느 지점에서 다 기울기 알수 O
  • dL/dw같은 수식으로 전체 loss에 대한 w의 미분값 구하기

• 다차원 도함수

  • input: vector, output: scalar
  • 여기로 가면 내려갈 수 있다는 가장 큰 감소 방향 알수 O
  • gradient 크기=경사의 방향 알고리즘

* Numeric Gradient (그냥 기울기 벡터)

ex. 임의의 입력 값에 대한 기울기 어케 계산하는지 확인

• 가중치 행렬의 한 요소를 조금만 변경 → 기울기 알 수 O
  = W의 하나의 값을 변화시켰을때, 전체 loss 변함
  ex. 위에 대한 예시
• 특징
  • 위와 같이 하나씩 반복해서 구하는 방법
• 단점
  • 매우 느림 (최대 수억개의 data를 train시킨다하면, 매우 비실용적)
  • 정확X, 근사치O

* Analytic Gradient (back prop)

• 특징
  • (각각 반복하지 않고) 수학적으로 앞서 한 미분 간단히 함
  • (벡터 미적학에 따라) W에 대해 정확한 gradient에 대한 수학적 분석 , 표현식 작성 가능

* 두 Gradient 방법 비교 (실제론 둘다 사용)

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2. Vanilla Gradient Descent (Full batch)

🔥 Full batch
: 방향이 optimal 함 (full batch여서)

: 기울기 (gradient)활용하여 Loss의 최소를 구하는 알고리즘

: L(w)의 가장 낮은 점에 gradient negative한 방향을 따라가는 알고리즘

(gradient negative라고 표현한 이유: )

1) Vanilla gradient descent

a. 전체 방법 (손실함수 최적화 위한 방법)

• 가중치 초기화 → 일정 반복횟수동안 루프 진행 →현재 위치에서 dw(기울기) 계산 → 음의 gradient방향으로 이동하며 w update (-인 이유: 내려가는 방향 찾아야해서(gradient negative))
  

b. 하이퍼파라미터

(KNN과 달리 실제 조정 많이X, NN에서 좋은 or 나쁜 역할할수도)

• Weight initialization method: random value (매우 중요)
• number of steps (몇번 돌릴건지)
  • stopping기준이 여러개 있지만, 딥러닝에선 그냥 고정된 수만큼 반복
  • 따라서 예산 or 기다릴수있는 시간에 의해 제약됨
• Learning Rate (=step size)
  • 이 gradient를 얼마나 신뢰할 수있는가
    • (LR크면) 신뢰많이 하면 → 보폭 크게 대충 확인
    • (LR작으면) 신뢰 많이 안하면 → 보폭 작게 세밀하게 확인
  • 우리는 최대 감소방향을 얼만큼의 보폭으로 내려가게 할건지 결정
  • 너의 network가 얼만큼의 빠르기로 학습할건지
    • LR높으면 → 수렴속도 빠름
    • LR낮으면 → 수렴속도 느림

c. 그림으로 이해하기(1) - Direction of greatest decrease of Loss function

• 해석
  • negative gradient계산 → 최대 감소 방향쪽으로 약간의 step size취하고 → 반복적으로 내리막길 내려감
    

d. 그림으로 이해하기(2) - taco 모양

• 해석
  • taco 그릇 모양이라 바닥으로 곧장 안감
    • 비스듬히 기울여져 있음
    • 옆으로 곡선 그리며 그림 아랫쪽으로 돌아옴
  • 매우 빠르게 시작
  • (dw와 LR곱한 이유)
    • gradient 크기 따라 더 큰 LR(step size)취할수도 있음
    • 그릇의 바닥에 접근할수록 손실함수 표면 평평해지고, gradient크기 줄어들게 해야돼서
      • (그래서 LR을 파라미터화 하는거 → 학습시켜서 변동되게 하려고)
        • 알고리즘이 평평한 영역(=손실함수 최솟값)에 접근시 자연스럽게 속도 감소(step size 감소) 되어 LR도 줄어들게 하려고

2)(Full) Batch Gradient Descent 수식

• 해석
  • 첫번째 식
    • 하나의 example에서 우리 분류기가 얼마나 잘 수행?
    • W로 점수 구하고, 확률화해서 L(W)구하기
  • 두번째 식
    • (Gradient가 선형이여서) gradient는 개별 example의 합
  • 모두 sum하면 너무 커져서 계산비용 많아짐
    (ex. N=1000만이면, 각각의 Li 전부 구해서 더해야됨)
    ⇒ N이 엄청 클때 실현가능성 X
    —> 해결: Stochastic Gradient Descent (SGD)

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3. Stochastic Gradient Descent (Mini batch)

🔥엄청 큰 N에 대해서도 학습 가능해짐_minibatch
1) 개념

• 방향이 optimal 하지 X (full batch아니여서)
• 전체에 대한 작은 sub sample (mini batch)로 손실함수를 근사하고, gradient를 근사함
• 전체 dataset에 대한 loss 계산 대신, dataset에서 작은 minibatch를 sampling한걸로 다음 기울기 계산하도록 수정 전체 배치에서 확률적으로 미니배치 선정
  

2) 방법

3) 하이퍼파라미터

• 위에 3개 - 기존에 있던거
• Batch size: 각 mini batch에 몇 개의 요소들이 있는가
  • 별로 중요X
  • (GPU메모리가 감당할만큼) 최대한 크게 만들기 (GPU여러개 & 여러 시스템이면 엄청 크게 batch size해도됨)
• Data Sampling방법
  • 이미지 분류에서는 거의 안다룸 (구조화된 예측, 삼중항 일치, 순위 문제 → 여기선 중요할수O)
  • 최종 결과에 중요영향X

4) Stochastic인 이유

• Loss function을 확률적으로 보기 때문 (어떻게 확률적으로 보는지?)

• 첫번째 식

  • 전체 data에 대한 손실 기댓값

• 두번째 식

  • sampling으로 기댓값 예측
  • N: 모든 data X, batch size

• 데이터 sampling

  • 기저확률분포 →(추출)→ data
    • 기저확률분포 = 데이터&레이블 결합확률분포
      = 데이터가 어떤 분포에서 추출되는지
      = 데이터 생성과정 설명
      = 실제 데이터 분포X, 확률 모델 가정
      

• 전체 분포에 대해 sample의 작은 몬테카를로 추정 취하여 gradient근사화 가능

  

  • gradient 근사화

    • 전체 확률분포 기댓값을 몬테카를로 방법으로 근사화
    • 몬테카를로 방법
      = 확률적 방법 사용하여 함수값 추정
      = 특정 함수값 구하기 위해 난수 사용하여 sampling
      = 함수의 평균값 추정 → 원래 함수값의 근사값으로 사용
      

    =⇒ 확률적 접근 → Loss 함수

    : 손실함수 계산 위해 몇개 sample이용해서 전체 기댓값 근사화할지 선택

5) SGD의 문제점

• Q1) (아래와 같은 상황같이) 한 방향으로 매우 빠르게 변화 or 매우 느리게 변화시, Gradient Descent에 어떠한 문제가 발생하는가?

  

  A) (결론) 저차원에서는 매우 느리고, 가파른 방향에서는 불안정하게 진동한다.

  • Stepsize가 너무 크면 → step이 진동함

    → gradient계산시, 빠르게 움직이는 차원에서 overshoot할 수 있음

    → overshoot수정하고 다른 방향으로 다시 돌아와야 함

    → 지그재그 패턴 유발

    → 최솟값으로 지그재그 이동하면 수렴속도 낮아짐
    

  • (절충안) stepsize 줄이기 → overshoot 지그재그는 피할수있지만 수렴속도 낮아짐

    =⇒ (문제점) taco모양처럼 한쪽은 빨리 변하고, 한쪽은 느리게 변하면 stepsize가 크든 작든 어쨌든 문제 발생함(gradient간 차이가 매우 큼)

  • (해결책) condition number낮추기 → 헤시안 행렬 조절 or 최적화 알고리즘 조절(=수렴속도 높일수있음)

    • *(기존 문제점) Loss function은 high condition number을 가지고 있음*

      = 헤시안 행렬의 (가장 큰 특이값 & 가장 작은 특이값 간 비율이 큼) =high condition number

      : 손실함수의 미분값들로 구성된 행렬, 최적화 알고리즘에서 사용

      : 헤시안행렬 특이값 = 행렬의 스케일링 정보

      = 헤시안 행렬의 스케일링 차이가 큼 (taco모양은 한쪽은 가파르고, 한쪽은 평평)

      : 최적화 알고리즘이 Gradient Descent보다 수렴속도 작음

      : Gradient Descent가 효율적 작동X → 수렴속도 낮아짐

• Q2) loss function이 local minimum or saddle point에 있게 되면 발생되는 문제와 그 해결책?
  A) (공통 문제점) zero gradient, gradient descent gets stuck - 고차원일수록 더 자주 발생 (이유: 어떤 한 곳은 증가, 다른 곳은 감소한 부분이 더 많을테니까)

  • local minimum : 함수 기울기=0이지만, 실제로는 최저점이 아님

    

  • saddle point: 고차원 최적화에서 더 자주 발생, 한방향 증가, 나머지 한 방향 감소

    (안장의 끝 기울기 =0)

    

• Q3) 모든 단계에서 update하는데 사용하는 기울기가 가려는 방향으로 곧장 안감(확률적 부분)
  A) 명확한 값이 아니고 근사치이기 때문에 잡음이 많을수밖에 없음 → 수렴 시간 오래걸림

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4. SGD + Momentum

🔥속도 첨으로 가짐 → local minma, 잡음 극복_v, rho
1) 기존 SGD

• 해석
  • 가중치 초기화 생략(모든 알고리즘 공통 기초라서)

2) 개념

• SGD만 사용했을때의 문제점(진동하는 문제, local minima, saddle point) 극복 위해 Momentum과 함께 사용
• 과거의 방향 기억하여 현재 방향에 반영
  • 이전 이동값 고려하여 일정 비율만큼만 다음값 결정 (관성 효과)
  • 변수를 가던 방향으로 계속 가게 함
  • 같은 방향 이동시, 더 많이 변화 → 학습 속도 빨라짐

• 오른쪽 해석
  • dw = w의 gradient계산
  • (방향잡기) v(속도)=rho(마찰계수 <1: 과거 속도가 rho로 인해 조금씩 날라감) + dw → v(현재속도)에 gradient(dw) 누적되면서, rho로 인해 과거 gradient 잊혀짐
    
  • (그 방향으로 얼만큼 갈지) 현재 방향으로 얼만큼의 보폭으로 갈건지에 따라 w update시킴

3) SGD의 문제점들을 Momentum이 해결한 방법들

a. local minima, saddle point, poor conditioning, gradient noise

• local minima, saddle point
  • v로 인해 속도를 여전히 가져서, local minima에 갇히지 않도록
• poor conditioning

  • v가 진동을 매끄럽게 해줌 (기존 방향으로 가도록 해주니까)

  • 수평적으로 수렴속도가 가속화될수도 O

    

• gradient noise
  • SGD(검) : 모든 지점에서 random noise추가됨
  • SGD + Momentum (파)
    • 동일 sequence of gradient update
    • noise 부드럽게
    • 목표에 더 직접적 경로

4) Momentum update (v update)

• 개념
  • velocity: 방향 제공 ( train에서 gradient와의 과거 평균)
  • gradient: 순간 변화율
  • 현재 입력값 (빨간점)에서 구한 gradient와 velocity더하여 다음 v(step) 구함

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5. Nesterov Momentum

1) 개념

• 기존과 순서만 다름
• 미래를 보고 gradient 방향이 어떨지 계산
• convex function(볼록함수) 성능 good, but 고차원 함수에선 성능 bad
• 현재 입력값에서 velocity만큼 이동 후, gradient구하고 이를 더하여 step 구하기

2) 수학적 표현

• 해석
  • xt + pvt = 현재 입력값 + rho*v
  • 미리 기울기 계산
    = v방향으로 걸어갈때의 gradient
    = 거기서 gradient 계산
    

3) 그림으로 비교

• 공통점
  • 시작에서 overshoot하고 다시 돌아옴 (v를 계속 누적함에 따라 큰 속도 얻게됨)
  • train process 가속화 (시간 지남에 따라 속도 벡터 구축해서 어케든 빨리 움직이기 가능) → 속도 늦추고, 끝을 향해 수렴하도록

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6. Adagrad

🔥LR(step) 조절가능_grad_squared
1) 개념

• 각각의 매개변수에 맞게 맞춤형 매개변수 갱신 알고리즘
• adaptive로 학습률(LR, step size) 조정(w업데이트시, w에 적용되는)
• historical sum of gradient values 더하는 대신 gradient 제곱
• 1e-7: 분모가 아예 0일때 대비해서

2) 원리

• 상황: 어느 한쪽은 기울기 빨리 변하고(=기울기(dw)가 클때),
  → Adagrad는 큰 값으로 나눠줌 = 분모에 기울기의 제곱만큼 나눠주니, 전체 속도 늦춰짐
  
• 어느 한쪽은 기울기 천천히 변함(=기울기가 작을때)
  → 작은 값으로 나눠줌 = 분모에 기울기 제곱만큼 나눠주니, 전체 속도 빨라짐
  

3) 문제점

• grad_squared는 제곱하는거라, 양수만 계속 누적 (=계속 더 큰 숫자로 나누게 됨)
  → grad_squared는 계속 커짐 → step_size감소 = LR 감소
  → 원하는 방향으로 가는 진행 도중에 멈출수O = 바닥에 도달 전 멈출수O

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7. RMSProp: Leak Adagrad

🔥LR(step)의 속도 조절까지 가능_decay_rate

1) 개념

• gradient 제곱 값 그대로 누적X, decay_rate 곱함
• step의 속도를 조절 가능 (마찰(decay_rate)추가)
• 마찰(decay_rate)적용시켜서, 속도가 줄어드는 문제 해결

2) 그림으로 비교

• SGD: 너무 느림
• SGD+Momentum: Overshoot
• RMSProp: 어느정도 이상적 방향

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8. Adam: RMSProp + Momentum

🔥적응형 LR + 속도조절
1) 기존에서 가져온 부분

• (Almost) SGD + Momentum 적용 부분 (속도 조절)

  

  • 기존 SGD+Momentum의 v, rho → Adam의 moment1, beta1

• (Almost) Adagrad, RMSProp 적용 부분

  

  • 기존 RMSProp의 grad_squared, decay_rate → Adam의 moment2, beta2

2) Bias correction

• 발생 가능 문제점

  • 최적화 초기에서 발생가능 문제? (beta2 = 0.999)
    = moment2 값이 초기에 굉장히 작은 값일수도
    → 이 값이 분모에 있기에, update시 값이 이상하게 튈수도
    

• 해결

  • bias correction으로 해결하기 (ex. 1e-7)
  • update시, 현재 step에 맞는 적절한 bias추가하여 값이 초기에 0이 되지 않도록
  • 최소한의 파라미터 조정으로 다양한 task수행가능해서 좋음

3) 그림으로 이해하기

• 결론) 파란선의 overshoot적어지고 ,
  빨간선의 적절한 stepsize로 중간에 멈추지 않고 끝까지 최소값 찾기 가능

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9. 최종 비교