Data imbalance is a common problem in machine learning that can have a critical effect on the performance of a model. Various solutions exist but their impact on the convergence of the learning dynamics is not understood. Here, we elucidate the significant negative impact of data imbalance on learning, showing that the learning curves for minority and majority classes follow sub-optimal trajectories when training with a gradient-based optimizer. This slowdown is related to the imbalance ratio and can be traced back to a competition between the optimization of different classes. Our main contribution is the analysis of the convergence of full-batch (GD) and stochastic gradient descent (SGD), and of variants that renormalize the contribution of each per-class gradient. We find that GD is not guaranteed to decrease the loss for each class but that this problem can be addressed by performing a per-class normalization of the gradient. With SGD, class imbalance has an additional effect on the direction of the gradients: the minority class suffers from a higher directional noise, which reduces the effectiveness of the per-class gradient normalization. Our findings not only allow us to understand the potential and limitations of strategies involving the per-class gradients, but also the reason for the effectiveness of previously used solutions for class imbalance such as oversampling.


翻译:数据不平衡是机器学习中常见的问题,对模型性能有着关键影响。现有多种解决方案,但其对学习动力学收敛性的影响尚不明确。本文揭示了数据不平衡对学习的显著负面效应,证明在使用基于梯度的优化器训练时,少数类与多数类的学习曲线将遵循次优轨迹。这种放缓与不平衡比率相关,并可追溯至不同类别优化之间的竞争。我们的核心贡献在于分析了全批次梯度下降(GD)与随机梯度下降(SGD)的收敛性,以及每类梯度贡献归一化的变体方法。研究发现:GD无法保证每个类别的损失下降,但通过对每类梯度进行归一化可解决该问题;而SGD中,类别不平衡对梯度方向产生额外影响——少数类面临更高方向噪声,这削弱了每类梯度归一化的有效性。本成果不仅揭示了基于每类梯度策略的潜力与局限,还阐明了过采样等先前类别不平衡解决方案的有效性成因。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
100+篇《自监督学习(Self-Supervised Learning)》论文最新合集
专知会员服务
167+阅读 · 2020年3月18日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
20+阅读 · 2019年5月24日
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
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3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
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17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 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
11+阅读 · 2022年9月1日
Arxiv
66+阅读 · 2021年6月18日
Arxiv
13+阅读 · 2020年8月3日
VIP会员
最新内容
美国从乌克兰无人机战争中学习经验
专知会员服务
1+阅读 · 今天15:03
ICML 2026 | 面向视觉语言模型的语义鲁棒性认证
专知会员服务
0+阅读 · 今天14:31
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
8+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
10+阅读 · 6月17日
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
100+篇《自监督学习(Self-Supervised Learning)》论文最新合集
专知会员服务
167+阅读 · 2020年3月18日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
相关资讯
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
20+阅读 · 2019年5月24日
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
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3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
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17日
相关基金
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 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员