We consider minimizing a perturbed function $F(W) = \mathbb{E}_{U}[f(W + U)]$, given a function $f: \mathbb{R}^d \rightarrow \mathbb{R}$ and a random sample $U$ from a distribution $\mathcal{P}$ with mean zero. When $\mathcal{P}$ is the isotropic Gaussian, $F(W)$ is roughly equal to $f(W)$ plus a penalty on the trace of $\nabla^2 f(W)$, scaled by the variance of $\mathcal{P}$. This penalty on the Hessian has the benefit of improving generalization, through PAC-Bayes analysis. It is useful in low-sample regimes, for instance, when a (large) pre-trained model is fine-tuned on a small data set. One way to minimize $F$ is by adding $U$ to $W$, and then run SGD. We observe, empirically, that this noise injection does not provide significant gains over SGD, in our experiments of conducting fine-tuning on three image classification data sets. We design a simple, practical algorithm that adds noise along both $U$ and $-U$, with the option of adding several perturbations and taking their average. We analyze the convergence of this algorithm, showing tight rates on the norm of the output's gradient. We provide a comprehensive empirical analysis of our algorithm, by first showing that in an over-parameterized matrix sensing problem, it can find solutions with lower test loss than naive noise injection. Then, we compare our algorithm with four sharpness-reducing training methods (such as the Sharpness-Aware Minimization (Foret et al., 2021)). We find that our algorithm can outperform them by up to 1.8% test accuracy, for fine-tuning ResNet on six image classification data sets. It leads to a 17.7% (and 12.8%) reduction in the trace (and largest eigenvalue) of the Hessian matrix of the loss surface. This form of regularization on the Hessian is compatible with $\ell_2$ weight decay (and data augmentation), in the sense that combining both can lead to improved empirical performance.


翻译:我们考虑最小化扰动函数 $F(W) = \mathbb{E}_{U}[f(W + U)]$,其中给定函数 $f: \mathbb{R}^d \rightarrow \mathbb{R}$ 以及来自均值为零的分布 $\mathcal{P}$ 的随机样本 $U$。当 $\mathcal{P}$ 为各向同性高斯分布时,$F(W)$ 近似等于 $f(W)$ 加上一个按 $\mathcal{P}$ 方差缩放的海森矩阵迹的惩罚项。这种对海森矩阵的惩罚通过 PAC-Bayes 分析具有提升泛化能力的优势,尤其适用于小样本场景,例如将(大型)预训练模型在小型数据集上进行微调。最小化 $F$ 的一种方法是在 $W$ 上添加 $U$ 后运行 SGD。我们通过实验观察到,在对三个图像分类数据集进行微调的过程中,这种噪声注入并未比标准 SGD 带来显著性能提升。为此,我们设计了一种简单实用的算法,该算法沿 $U$ 和 $-U$ 两个方向同时添加噪声,并支持添加多个扰动后取均值。我们分析了该算法的收敛性,给出了输出梯度范数的紧速率界。通过全面的实证分析,我们首先证明在过参数化的矩阵感知问题中,该算法能找到比朴素噪声注入测试损失更低的解。随后,我们将该算法与四种锐度降低训练方法(如锐度感知最小化(Foret 等人,2021))进行比较。实验表明,在六种图像分类数据集上对 ResNet 进行微调时,我们的算法可将其测试准确率提升高达 1.8%。该算法使损失曲面的海森矩阵迹(及最大特征值)分别降低 17.7%(和 12.8%)。这种海森矩阵正则化形式与 $\ell_2$ 权重衰减(及数据增强)兼容,即两者结合可进一步提升经验性能。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【NeurIPS2019】图变换网络:Graph Transformer Network
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年5月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年5月30日
Arxiv
0+阅读 · 2024年5月30日
VIP会员
最新内容
综述 | Self-Evolving Coding Agents:自进化编程智能体
专知会员服务
0+阅读 · 今天13:16
美海军陆战队将三型无人机整合入统一战场网络
专知会员服务
2+阅读 · 今天9:39
《无人机蜂群:释放人类-蜂群编队的潜能》
专知会员服务
4+阅读 · 今天9:12
《战略战术化:一项综合性述评》
专知会员服务
2+阅读 · 今天9:08
美陆军-工业界协同推进反无人机系统技术发展
专知会员服务
1+阅读 · 今天8:46
《跨域指挥背景下的领导力发展》最新报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天8:40
俄乌无人机战争的六大启示
专知会员服务
10+阅读 · 8月3日
《无人机空中监控:通信实验洞察》
专知会员服务
8+阅读 · 8月3日
相关VIP内容
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
相关资讯
【NeurIPS2019】图变换网络:Graph Transformer Network
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员