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雷鋒網 AI 科技評論按：今年 7 月，「深度學習教父」Geoffrey Hinton 和他的團隊發表了一篇關于深度神經網絡優化器的論文，介紹了一種新的優化器「LookAhead」 （《LookAhead optimizer: k steps forward, 1 step back》，https://arxiv.org/abs/1907.08610）。LookAhead 的設計得益于對神經網絡損失空間理解的最新進展，提供了一種全新的穩定深度神經網絡訓練、穩定收斂速度的方法。
8 月，又有一篇關于優化器的論文《On the Variance of the Adaptive Learning Rate and Beyond》（https://arxiv.org/abs/1908.03265）吸引了不少研究人員的關注，這篇來自韓家煒團隊的論文研究了深度學習中的變差管理，并帶來了突破性進展，提出了 RAdam（Rectified Adam）優化器，也改善了網絡的優化過程。
那有沒有機會結合這兩種方法的長處，形成一個表現更出色的優化器呢？研究員 Less Wright 就做了這個嘗試，他把兩者的思路集成在一起，得到了一個新的優化器，得到了很棒的結果，當然也比 RAdam 單獨使用更好。他撰寫了一篇博客介紹了他對這兩種方法的理解，也介紹了他自己的實現和簡單測試。
雷鋒網 AI 科技評論全文編譯如下。
毋庸置疑，在訓練的初始階段，RAdam 能為優化器提供最棒的基礎值。借助一個動態整流器，RAdam 可以根據變差大小來調整 Adam 優化器中的自適應動量，并且可以提供一個高效的自動預熱過程；這些都可以針對當前的數據集運行，從而為深度神經網絡的訓練提供一個扎實的開頭。
LookAhead 的設計得益于對神經網絡損失空間理解的最新進展，為整個訓練過程的魯棒、穩定探索都提供了突破性的改進。用 LookAhead 論文作者們自己的話說，LookAhead「減少了超參數調節的工作量」，同時「在許多不同的深度學習任務中都有更快的收斂速度、最小的計算開銷」。還有，「我們通過實驗表明，LookAhead 可以顯著提高 SGD 和 Adam 的表現，即便是用默認的超參數直接在 ImageNet、CIFAR-10/100、機器翻譯任務以及 Penn Treebank 上運行」。
那么，既然兩種方法是從不同的角度對深度學習的優化過程提供了改進，我們全完可以猜測兩者合并以后可以起到協同作用，帶來更棒的結果；也許這就是我們在尋找更穩定更魯棒的優化方法之路上的最新一站。
在下文中，作者將會在 RAdam 介紹的基礎上解釋 LookAhead 的原理，以及如何把 RAdam 和 LookAhead 集成到同一個優化器（Ranger）中。在作者的實驗中，訓練只運行了前 20 個 epoch，模型就給出了一個讓作者喜出望外的準確率；實際上這個準確率要比 FastAI 的排行榜第一名還要高出 1%。
更重要的是，文中有詳盡的源代碼和使用信息介紹，任何人都可以運行這個 Ranger 優化器，看看能否看到穩定性和準確率的提升。
下面我們先分別認識一下 RAdam 和 LookAhead。
簡單來說，RAdam 的作者們研究了為什么帶有自適應動量的優化器（Adam, RMSProp 等等）都需要一個預熱階段，不然在訓練剛剛啟動的時候就很容易陷入不好的、可能有問題的局部最優。
他們找到的原因是，在訓練剛開始時有非常大的變動，可以說是優化器還沒見到足夠多的數據，沒法做出準確的自適應動量選擇。預熱過程就可以在訓練的初始階段減小變差。根據上面這張圖可以看到，沒有預熱階段的時候，迭代早期的誤差分布會發生劇烈變化。不過，多長的預熱過程才算夠需要手動調整，而且在不同的數據集上也會有所不同。
所以，RAdam 的設計思路就是采用了一個整流器函數，它可以基于實際遇到的變差計算出一個「預熱啟發值」。然后這個整流器可以動態地對自適應動量進行開、關或者加阻尼，避免它以全速運動，直到來自數據的變差開始穩定為止。這樣的做法就避免了用人工方法執行一個預熱階段，訓練過程也就自動穩定下來了。
當變差穩定下來之后，RAdam 在剩下的訓練過程中基本就等效于 Adam 甚至 SGD。也所以，RAdam 只能為訓練的開始階段帶來改善。
需要各位讀者注意的是，雖然在 RAdam 論文中的實驗結果小節里 RAdam 的表現比 Adam 好，但是如果運行非常長的時間，那么 SGD 最終會追上來，而且會得到比 RAdam 和 Adam 更高的最終準確率。
現在我們就需要轉頭看看 LookAhead 了，我們需要集成一種新的探索機制，能在超過 1000 個 epoch 的訓練之后仍然比 SGD 表現更好。
在介紹 LookAhead 之前，我們首先需要知道，在 SGD 基礎上改進而來的大多數成功的優化器都可以歸為以下兩類：
增加自適應動量，Adam、AdaGrad
增加某種加速機制，Nesterov 動量或 Polyak Heavy Ball
它們用這些做法來改進探索和訓練過程，最終讓模型收斂。
LookAhead 和它們都有所不同，它采用了一種全新的設計：會維持兩套權重，并在兩者之間進行內插，可以說是，它允許更快的那一組權重「向前看」（也就是探索），同時更慢的那一組權重可以留在后面，帶來更好的長期穩定性。
這種做法帶來的效果就是降低了訓練過程中的變差，以及大大降低了對次優的超參數的敏感性（從而減少了大量嘗試超參數調節的需要）；同時，它在許多種不同的深度學習任務中都可以達到更快的收斂速度?？梢哉f這是一項飛躍式的進步。
可以打個簡單的比方，假想你在一個山頂區域，你周圍有很多條不同的路下山，有的也許可以讓你輕松到達山下，有的路則會遇到險惡的懸崖和斷層。如果你孤身一人，去探索這些路就會有點麻煩，你得一條條嘗試，假如選的路走不通，你很可能會卡在半路，回不到山頂、沒辦法試下一條路了。但是如果你有個好朋友一起，他可以在山頂等你，而且可以幫助你脫離險境的話，那么你被卡在半路的機會就小多了、找到合適的下山路的機會就大多了。
可以說 LookAhead 基本就是這樣工作的，它會多存儲一份權重副本，然后讓那個內部的「快」優化器多探索 5 或 6 個批（在作者的 Ranger 實現中，快的優化器就是 RAdam，多探索的批的數量通過 k 參數指定）。每經過 k 個間隔，快優化器 RAdam 多探索了 k 個批，然后 LookAhead 會計算存儲的權重副本和最新的 RAdam 的權重的差，把這個差乘上 alpha 參數（默認為 0.5），然后更新 RAdam 的參數，再開始下 k 個間隔的探索。
這樣做的效果就是，LookAhead 從內部快優化器（這里就是 RAdam）實現一個快速前進的均值的同時，還有一個慢一些的指數前進的均值。快速前進有更好的探索效果，慢的那個起到一個拖拽回歸的作用，也可以看作是一個穩定性維持機制 —— 一般情況下慢速前進的這個都落在后面，但也可以在快的優化器進入了一個更有潛力的下坡卻又跑出去的時候把它拽回來。整個優化器可以更細致地探索整個空間，同時不需要怎么擔心卡在不好的局部極值。
這種方法和上面提到的目前的兩種主流方法都完全不同，然后由于它的設計提升了訓練穩定性，所以它的探索速度更快、探索過程更魯棒，探索的結果也比 SGD 更好。
在解釋過 LookAhead 的工作原理以后我們可以看出來，其中的那個快優化器可以選用任意一個現有的優化器。在 LookAhead 論文中他們使用的是最初的 Adam，畢竟那時候 RAdam 還沒有發布呢。
那么顯然，要實現 RAdam 加 LookAhead，只需要把原來的 LookAhead 中的 Adam 優化器替換成 RAdam 就可以了。
在 FastAI 中，合并 RAdam 和 LookAhead 的代碼是一件非常容易的事情，他使用的 LookAhead 代碼來自 LonePatient，RAdam 則來自論文作者們的官方代碼。Less Wright 把合并后的這個新優化器稱作 Ranger（其中的前兩個字母 RA 來自 RAdam，Ranger 整個單詞的意思“突擊隊員”則很好地體現出了 LookAhead 能出色地探索損失空間的特點）。
Ranger 的代碼開源在 https://github.com/lessw2020/Ranger-Deep-Learning-Optimizer?source=post_page-----2dc83f79a48d----------------------
使用方法：
把 ranger.py 拷貝到工作目錄下
import ranger
創建一個 partial，為 FastAI 調用 Ranger 做準備，然后把學習者的 opt_func 指向它
開始測試吧！
LookAhead 中的參數：
k - 它控制快優化器的權重和 LookAhead 中的慢優化器的權重協同更新的間隔。默認值一般是 5 或者 6，不過 LookAhead 論文里最大也用過 20。
alpha - 它控制根據快慢優化器權重之差的多少比例來更新快優化器的權重。默認值是 0.5，LookAhead 論文作者 Hinton 等人在論文里給出了一個強有力的證明，表示 0.5 可能就是理想值。不過大家也可以做自己的嘗試。
他們也在論文中指出，未來一個可能的改進方向是根據訓練進行到不同的階段，規劃使用不同的 k 和 alpha 的值。
最近剛好有兩支團隊各自在深度神經網絡的優化問題上做出了提高速度和穩定性的成果，而且巧的是他們的成果是可以協同工作、帶來更好的結果的。結合兩者得到的新優化器 Ranger 帶來了非常優異的表現，刷新了 FastAI 的在 ImageNet 上運行 20 個 epoch 的準確率排行榜。
盡管其中的 k 參數和 RAdam 使用的學習率這兩個參數還有探究和調整的空間，但畢竟已經大大降低了超參數調整的工作量，也可以輕松帶來更好的結果。大家可以立刻把這個方法投入使用。
LookAhead 論文地址：《LookAhead optimizer: k steps forward, 1 step back》
LonePatient 的 LookAhead 實現：
https://github.com/lonePatient/lookahead_pytorch/blob/master/optimizer.py
RAdam 論文地址：
RAdam 論文作者的 RAdam 實現：《On the Variance of the Adaptive Learning Rate and Beyond》
via https://medium.com/@lessw/new-deep-learning-optimizer-ranger-synergistic-combination-of-radam-lookahead-for-the-best-of-2dc83f79a48d，雷鋒網 AI 科技評論編譯
