深度学习之批量训练数据集大小对训练结果的影响

雨点打透心脏的1/2处 2022-04-04 11:12 400阅读 0赞

在学习深度学习的过程中，发现很多例子都采用批量训练的方法，比如每次迭代从数据集中选择50或者100条数据进行训练计算。这么做的好处是可以加快运算速度，但是，经过测试发现，过大批训练数据，容易引起训练结果不准确，拟合度低的缺点，下面我举一个例子说明：

import numpy as np
    from sklearn.utils import shuffle
    import matplotlib.pyplot as plt
    import tensorflow as tf
    import datetime
    starttime = datetime.datetime.now()
    def generae(sample_size,mean,cov,diff,regression):
        num_class=2
        sample_per_class=int(sample_size/2)
        X0=np.random.multivariate_normal(mean,cov,sample_per_class)
        Y0=np.zeros(sample_per_class)
        X,Y=[],[]
        for ci,d in enumerate(diff):
            X1=np.random.multivariate_normal(mean+d,cov,sample_per_class)
            Y1=(ci+1)*np.ones(sample_per_class)
            X0=np.concatenate((X0,X1))
            Y0=np.concatenate((Y0,Y1))
        if regression==False:
            class_ind=[Y==class_number for class_number in range(num_class)]
            Y=np.asarray(np.hstack(class_ind),dtype=np.float32)
        X,Y=shuffle(X0,Y0)
        return X,Y
    np.random.seed(10)
    num_classes=2
    mean=np.random.randn(num_classes)
    cov=np.eye(num_classes)
    X,Y=generae(1000, mean, cov, [3.0], False)
    lab_dim=1
    input_dim=2
    input_features=tf.placeholder(tf.float32,[None,input_dim])
    input_lables=tf.placeholder(tf.float32,[None,lab_dim])
    W=tf.Variable(tf.random_normal([input_dim,lab_dim]),name='weight')
    b=tf.Variable(tf.zeros([lab_dim]),name='bias')
    output=tf.nn.sigmoid(tf.matmul(input_features,W)+b)
    loss=tf.reduce_mean(tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(labels=input_lables,logits=tf.matmul(input_features,W)+b))
    optimizer=tf.train.AdamOptimizer(0.01)
    train=optimizer.minimize(loss)
    maxEpochs=50
    minitatchSize=5
    x1=[]
    
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(tf.global_variables_initializer())
        for epoch in range(maxEpochs):
            sumerr=0
            for i in range(np.int32(len(Y)/minitatchSize)):
                x1=X[i*minitatchSize:minitatchSize*(i+1),:]
                y1=np.reshape(Y[i*minitatchSize:minitatchSize*(i+1)],[-1,1])
                _,lossval,outputval=sess.run([train,loss,output],feed_dict={ input_features:x1,input_lables:y1})
            print(epoch,"----",lossval)
        print("Finished")
        endtime = datetime.datetime.now()
        print("Eplased Time:",(endtime - starttime).seconds)

这个例子产生了1000条数据，并且迭代50个世代。当批训练数据大小设置为25条的时候，程序输出如下：

0 ---- 0.8833265
    1 ---- 0.7246625
    2 ---- 0.56082326
    3 ---- 0.4263128
    4 ---- 0.3264776
    5 ---- 0.25968412
    6 ---- 0.21754791
    7 ---- 0.19074523
    8 ---- 0.17274845
    9 ---- 0.15978481
    10 ---- 0.14979471
    11 ---- 0.14165106
    12 ---- 0.13472195
    13 ---- 0.12864223
    14 ---- 0.12319314
    15 ---- 0.11823835
    16 ---- 0.11368922
    17 ---- 0.109484985
    18 ---- 0.10558146
    19 ---- 0.101945356
    20 ---- 0.0985498
    21 ---- 0.0953724
    22 ---- 0.092394
    23 ---- 0.08959783
    24 ---- 0.08696909
    25 ---- 0.08449426
    26 ---- 0.08216138
    27 ---- 0.07995938
    28 ---- 0.0778783
    29 ---- 0.07590899
    30 ---- 0.07404316
    31 ---- 0.07227333
    32 ---- 0.070592485
    33 ---- 0.06899432
    34 ---- 0.06747306
    35 ---- 0.06602346
    36 ---- 0.06464061
    37 ---- 0.06331999
    38 ---- 0.062057685
    39 ---- 0.060849763
    40 ---- 0.059692908
    41 ---- 0.058583792
    42 ---- 0.057519644
    43 ---- 0.05649774
    44 ---- 0.05551556
    45 ---- 0.05457068
    46 ---- 0.05366121
    47 ---- 0.052785005
    48 ---- 0.05194026
    49 ---- 0.05112519
    Finished
    Eplased Time: 3

当批训练数据大小设置为5条的时候，程序输出如下：

0 ---- 2.4122727
    1 ---- 1.2697283
    2 ---- 0.56022817
    3 ---- 0.26786795
    4 ---- 0.15360412
    5 ---- 0.10067397
    6 ---- 0.071917914
    7 ---- 0.054414533
    8 ---- 0.04286511
    9 ---- 0.034778215
    10 ---- 0.028854271
    11 ---- 0.02435914
    12 ---- 0.020851564
    13 ---- 0.018052543
    14 ---- 0.015778149
    15 ---- 0.013902565
    16 ---- 0.01233704
    17 ---- 0.0110171195
    18 ---- 0.009894882
    19 ---- 0.008933785
    20 ---- 0.008105488
    21 ---- 0.007387633
    22 ---- 0.0067623234
    23 ---- 0.006215036
    24 ---- 0.0057339044
    25 ---- 0.005309134
    26 ---- 0.0049326196
    27 ---- 0.0045975544
    28 ---- 0.004298257
    29 ---- 0.004029934
    30 ---- 0.0037885192
    31 ---- 0.0035705771
    32 ---- 0.0033731621
    33 ---- 0.0031937952
    34 ---- 0.0030303255
    35 ---- 0.0028808962
    36 ---- 0.002743928
    37 ---- 0.0026180497
    38 ---- 0.0025020558
    39 ---- 0.0023949211
    40 ---- 0.0022957386
    41 ---- 0.0022037134
    42 ---- 0.0021181535
    43 ---- 0.0020384365
    44 ---- 0.0019640164
    45 ---- 0.0018944215
    46 ---- 0.0018292269
    47 ---- 0.0017680468
    48 ---- 0.0017105412
    49 ---- 0.0016564125
    Finished
    Eplased Time: 14

从结果对比可以看出，批大小缩小到原先的1/5，训练的精度提高了将近30倍（当然这么说可能不太严谨），训练的时间开销增加了将近5倍。如何取舍，取决于训数据的大小和对训练结果的要求。