Нейросеть: в чём разница между Batch и Epoch

Стохастический Градиентный спуск

Стохастический градиентный спуск, или сокращенно SGD, - это алгоритм оптимизации, используемый для обучения алгоритмам машинного обучения, в первую очередь искусственным нейронным сетям, используемым в глубоком обучении.

Задача алгоритма состоит в том, чтобы найти набор внутренних параметров модели, которые хорошо соответствуют некоторым показателям производительности, таким как логарифмические потери или среднеквадратичная ошибка.

Оптимизация - это тип процесса поиска, и вы можете рассматривать этот поиск как обучение. Алгоритм оптимизации называется “градиентный спуск“, где “градиент” относится к вычислению градиента ошибки или наклона ошибки, а “спуск” относится к движению вниз по этому склону к некоторому минимальному уровню ошибки.

Алгоритм является итеративным. Это означает, что процесс поиска выполняется в несколько дискретных этапов, каждый из которых, как мы надеемся, немного улучшает параметры модели.

Каждый шаг включает использование модели с текущим набором внутренних параметров для прогнозирования некоторых выборок, сравнение прогнозов с реальными ожидаемыми результатами, вычисление ошибки и использование ошибки для обновления внутренних параметров модели.

Эта процедура обновления отличается для разных алгоритмов, но в случае искусственных нейронных сетей используется алгоритм обновления обратного распространения.

Прежде чем мы погрузимся в серии и эпохи, давайте посмотрим, что мы подразумеваем под образцом.

Узнайте больше о градиентном спуске здесь:

    Градиентный Спуск Для Машинного Обучения

Что такое Образец?

Образец - это одна строка данных.

Он содержит входные данные, которые вводятся в алгоритм, и выходные данные, которые используются для сравнения с прогнозом и вычисления ошибки.

Обучающий набор данных состоит из множества строк данных, например, множества выборок. Образец также может называться экземпляром, наблюдением, входным вектором или вектором признаков.

Теперь, когда мы знаем, что такое образец, давайте определим партию.
Что такое Партия?

Размер пакета - это гиперпараметр, который определяет количество образцов, которые необходимо обработать перед обновлением внутренних параметров модели.

Подумайте о пакете как о цикле, повторяющем одну или несколько выборок и делающем прогнозы. В конце пакета прогнозы сравниваются с ожидаемыми выходными переменными и вычисляется ошибка. Исходя из этой ошибки, алгоритм обновления используется для улучшения модели, например, для перемещения вниз по градиенту ошибки.

Набор обучающих данных может быть разделен на один или несколько пакетов.

Когда все обучающие выборки используются для создания одного пакета, алгоритм обучения называется пакетным градиентным спуском. Когда пакет имеет размер одной выборки, алгоритм обучения называется стохастическим градиентным спуском. Когда размер пакета больше одной выборки и меньше размера обучающего набора данных, алгоритм обучения называется мини-пакетным градиентным спуском.

    Пакетный Градиентный Спуск. Размер пакета = Размер обучающего набора
    Стохастический Градиентный Спуск. Размер партии = 1
    Мини-Пакетный градиентный спуск. 1 <Размер пакета < Размер обучающего набора

В случае градиентного спуска мини-партий популярные размеры партий включают 32, 64 и 128 образцов. Вы можете увидеть эти значения, используемые в моделях, в литературе и в учебных пособиях.

Что делать, если набор данных не делится равномерно по размеру пакета?

Это может часто происходить и происходит при обучении модели. Это просто означает, что в последней партии образцов меньше, чем в других партиях.

Кроме того, вы можете удалить некоторые образцы из набора данных или изменить размер пакета таким образом, чтобы количество образцов в наборе данных делилось равномерно на размер пакета.

Для получения дополнительной информации о различиях между этими вариантами градиентного спуска см. Сообщение:

    Краткое введение в Градиентный спуск Мини-пакетов и Как настроить размер пакета

Для получения дополнительной информации о влиянии размера пакета на процесс обучения см. Сообщение:

    Как контролировать скорость и стабильность обучения нейронных сетей Размер пакета

Пакет включает в себя обновление модели с использованием образцов; далее давайте рассмотрим эпоху.
Что такое Эпоха?

Количество эпох - это гиперпараметр, который определяет, сколько раз алгоритм обучения будет работать со всем набором обучающих данных.

Одна эпоха означает, что у каждой выборки в обучающем наборе данных была возможность обновить внутренние параметры модели. Эпоха состоит из одного или нескольких пакетов. Например, как указано выше, эпоха, имеющая один пакет, называется алгоритмом обучения пакетному градиентному спуску.

Вы можете придумать цикл для определения количества эпох, в течение которых каждый цикл выполняется по набору обучающих данных. В этом цикле for есть еще один вложенный цикл for, который повторяется над каждой партией образцов, где одна партия имеет указанное количество образцов “размера партии".

Число эпох традиционно велико, часто сотни или тысячи, что позволяет алгоритму обучения работать до тех пор, пока ошибка модели не будет достаточно сведена к минимуму. Вы можете увидеть примеры количества эпох в литературе и в учебных пособиях, установленных на 10, 100, 500, 1000 и более.

Обычно создаются линейные графики, которые показывают эпохи вдоль оси x как время, а также ошибки или навыки модели по оси y. Эти графики иногда называют кривыми обучения. Эти графики могут помочь определить, является ли модель чрезмерно изученной, недостаточно изученной или подходящей для обучающего набора данных.

Для получения дополнительной информации о диагностике с помощью кривых обучения в сетях LSTM см. Сообщение:

    Мягкое введение в кривые обучения для диагностики производительности модели

В случае, если это все еще неясно, давайте рассмотрим различия между партиями и эпохами.
В чем разница между Партией и Эпохой?

Размер партии - это количество образцов, обработанных до обновления модели.

Количество эпох - это количество полных проходов через обучающий набор данных.

Размер пакета должен быть больше или равен единице и меньше или равен количеству выборок в обучающем наборе данных.

Количество эпох может быть задано целочисленным значением от единицы до бесконечности. Вы можете запускать алгоритм так долго, как вам нравится, и даже останавливать его, используя другие критерии, помимо фиксированного числа эпох, такие как изменение (или отсутствие изменений) ошибки модели с течением времени.

Они оба являются целочисленными значениями и оба являются гипер-параметрами для алгоритма обучения, например, параметрами процесса обучения, а не параметрами внутренней модели, найденными в процессе обучения.

Вы должны указать размер пакета и количество эпох для алгоритма обучения.

Нет никаких волшебных правил для настройки этих параметров. Вы должны попробовать разные значения и посмотреть, что лучше всего подходит для вашей проблемы.
Отработанный Пример

Наконец, давайте конкретизируем это на небольшом примере.

Предположим, у вас есть набор данных с 200 образцами (строками данных), и вы выбираете размер пакета от 5 до 1000 эпох.

Это означает, что набор данных будет разделен на 40 пакетов, в каждом из которых будет по пять образцов. Веса моделей будут обновляться после каждой партии из пяти образцов.

Это также означает, что одна эпоха будет включать 40 пакетов или 40 обновлений модели.

С 1000 эпохами модель будет подвергнута воздействию или пройдет через весь набор данных 1000 раз. Это в общей сложности 40 000 партий за весь учебный процесс.
Дальнейшее Чтение

В этом разделе содержится больше ресурсов по этой теме, если вы хотите углубиться в нее.

    Градиентный Спуск Для Машинного Обучения
    Как контролировать скорость и стабильность обучения нейронных сетей Размер пакета
    Краткое введение в Градиентный спуск Мини-пакетов и Как настроить размер пакета
    Мягкое введение в кривые обучения для диагностики производительности модели
    Стохастический градиентный спуск в Википедии
    Обратное распространение в Википедии

Резюме

В этом посте мы показали разницу между партиями и эпохами в стохастическом градиентном спуске.

В частности, вы узнали:

    Стохастический градиентный спуск - это итеративный алгоритм обучения, который использует обучающий набор данных для обновления модели.
    Размер пакета - это гиперпараметр градиентного спуска, который управляет количеством обучающих выборок для обработки до обновления внутренних параметров модели.
    Количество эпох - это гиперпараметр градиентного спуска, который управляет количеством полных проходов через обучающий набор данных.

У вас есть какие-нибудь вопросы? 

Вот самые популярные комментарии:


            Меняется ли наполнение пакетов от эпохи к эпохе?
            

                Да. Образцы перемешиваются в конце каждой эпохи, и партии в разные эпохи различаются с точки зрения содержащихся в них образцов.
                

                    Если вы создаете модель прогнозирования временных рядов (скажем, что-то со слоем lstm), будут ли пакетные наблюдения обучающего набора храниться в “кусках” (то есть группы времени не будут разбиты, и, следовательно, основной шаблон нарушен)? Это имеет значение, верно?


                    Вы можете оценить это, перетасовав образцы, а не перетасовав образцы, поданные в LSTM во время обучения или вывода.
                    

                    Большое вам спасибо за ваше точное объяснение. Если все выборки перемешиваются в конце каждой эпохи, возможно ли, что мы найдем в наборах данных один образец, который будет оцениваться так много раз, а некоторые могут вообще не оцениваться? Или можно ли сделать так, чтобы один раз оцененный образец не подвергался повторной оценке?
                    

                    Нет. Каждый образец получает одну возможность, которую можно использовать для обновления модели в каждую эпоху.
    

    У меня есть вопрос, основанный на (ниже выдержка из вашего поста)... не могли бы вы назвать/сослаться на другие процедуры, используемые для обновления параметров в случае других алгоритмов.

    Каждый шаг включает использование модели с текущим набором внутренних параметров для прогнозирования некоторых выборок, сравнение прогнозов с реальными ожидаемыми результатами, вычисление ошибки и использование ошибки для обновления внутренних параметров модели.

    Эта процедура обновления отличается для разных алгоритмов, но в случае искусственных нейронных сетей используется алгоритм обновления обратного распространения.

    в современных подходах к обучению deeeep я почти всегда сталкиваюсь с тем, что люди сохраняют свои модели после некоторого количества эпох (или некоторого периода времени), визуализируя какие-то показатели производительности для оценки следующих значений гиперпараметров, после чего они проводят свои эксперименты для следующих эпох. Таким образом, мы можем назвать эту процедуру "мини-эпохальным стохастическим глубоким обучением". Спасибо.
    Ответить    



    Еще раз спасибо за отличный пост в блоге. Для данных временных рядов в LSTM имеет ли смысл когда-либо иметь размер пакета больше одного?
    Я искал и искал, и я не мог найти ни одного примера, где размер пакета больше одного, но я также не нашел никого, кто сказал бы, что это не имеет смысла.
    

        Да, если вы хотите, чтобы модель обучалась в нескольких под-последовательностях.

        У меня есть несколько сообщений, которые демонстрируют это по расписанию.
      
    спасибо вам за ваше объяснение действительно очень большое спасибо еще раз
   

    Это очень ясно. Спасибо.
    Я также вижу "steps_per_epoch" в некоторых случаях, что это значит? Это то же самое, что и партии?


        Количество пакетов, которые необходимо извлечь из генератора, чтобы определить эпоху.


    Мы любим примеры! Большое вам спасибо!
 




    Привет,
    В настоящее время я работаю с Word2Vec. В связи с эпохами и размером партии я все еще не совсем понимаю, что такое образец. Выше вы описали, что образец представляет собой одну строку данных. В своей программе я сначала редактирую свой текстовый файл с помощью SentenceIterator, чтобы получить по одному предложению на строку, а затем использую маркер для получения отдельных слов в этих строках. Является ли образец в Word2Vec словом из набора данных или это строка (содержащая предложение)? Заранее большое вам спасибо ?


        Терминология samples/epoch/batch не соответствует word2vec. Вместо этого у вас просто есть обучающий набор данных текста, из которого вы изучаете статистику.
        Ответить    
    

    Но с помощью программы Word2Vec у вас также есть гиперпараметры Эпох, итераций и размера пакета, которые вы можете установить… Не кажется ли вам, что они также влияют на результаты Word2Vec.
    Как я теперь понял, набор, передаваемый как пакет, содержит одно предложение. Однако я удивлен, что количество итераций не меняется, если я изменяю количество эпох и размеры пакетов, но не определяю итерации конкретно. Ты знаешь, как это работает?
   

        Не совсем

 
    Большое вам спасибо за то, что написали простым для понимания способом.... Кроме того, попробуйте добавить фотографии, график или схематическое представление для представления вашего текста. Как я видел здесь, вы привели один пример, он делает многие вещи очень ясными. В каком-то предыдущем посте вы также добавили график…



    После каждой эпохи точность либо улучшается, либо иногда нет. Например, эпоха 1 достигла точности 94, а эпоха 2 достигла точности 95. После окончания эпохи 1 мы получаем новые веса (т. е. обновленные после последней партии эпохи 1). Означает ли это, что новые веса, используемые в эпоху 2, начинают улучшать его с 94% до 95%? Если да, то является ли это причиной того, что какая-то эпоха получает более низкую точность по сравнению с предыдущей эпохой из-за обобщения весов для всего набора данных? Вот почему мы получаем хорошую точность после прохождения стольких эпох благодаря лучшему обобщению?
   

        Как правило, больше тренировок означает лучшую точность, но не всегда.

        Иногда может быть хорошей идеей прекратить тренировки пораньше
       

Действительно, в последнем примере общее количество мини-пакетов составляет 40 000, но это верно только в том случае, если пакеты выбраны без перетасовки обучающих данных или выбраны с перетасовкой данных, но без повторения. В противном случае, если в течение одной эпохи мини-пакеты создаются путем выбора обучающих данных с повторением, у нас могут быть некоторые точки, которые появляются более одного раза в одну эпоху (они появляются в разных мини-пакетах в одну эпоху), а другие - только один раз. Таким образом, общее количество мини-партий в этом случае может превысить 40 000.
   

        Обычно данные перемешиваются перед каждой эпохой.

        Обычно мы не выбираем образцы с заменой, так как это приведет к смещению обучения.
       

    Если у меня есть 1000 обучающих выборок и мой размер пакета =400, то мне нужно удалить 200 выборок
    исходя из моих тренировочных данных, мои тренировочные данные всегда должны быть кратны размеру пакета
   

        Нет, образцы будут перемешиваться перед каждой эпохой, тогда вы получите 3 партии, 300, 300 и 200.

        Лучше выбрать размер партии, который делит образцы равномерно, если это возможно, например, 100, 200 или 500 в вашем случае.
       

    спасибо за вашу замечательную статью, и у меня есть вопрос
    если у меня есть следующие настройки и я использую функцию fit_generator
    эпохи =100
    данные=1000 изображений
    партия = 10
    шаг_пер_почты = 20
    я знаю, что должен установить значение step_per_epochs = (1000/10)= 100, но если я установлю его равным 20

    Означают ли эти настройки, что модель будет обучаться с использованием только части обучающих данных (в каждую эпоху будут использоваться одни и те же 200 изображений (пакет*step_per_epochs)), а не все 1000 изображений?
    или он будет использовать первые 200 изображений в наборе данных в первую эпоху, затем следующие 200 изображений во вторую эпоху и так далее (разделит 1000 изображений на каждые 5 эпох), и модель будет обучена 20 раз с использованием всего обучающего набора данных в 100 эпохах
    Спасибо
   

        Да, будет использоваться только 200 изображений за эпоху.
      


    Сэр, большое вам спасибо за этот превосходный урок.
    Можете ли вы рассказать мне, как запустить модель на аналогичном тестовом наборе данных после обучения модели?
  
      

    Если бы я создавал свои собственные пользовательские пакеты, скажем, в методе model.fit_generator().

    Создаем ли мы новые случайно отобранные партии для каждой эпохи или мы просто создаем партии в __init__ и используем их без каких-либо изменений на протяжении всего обучения?

    Каков рекомендуемый способ?

    P.S. Если я произвольно отбираю партии в каждую эпоху, я вижу всплески в val_acc, но не уверен, что это из-за этого!
   

        Отличный вопрос.

        Важно убедиться, что каждая партия является репрезентативной (в разумных пределах) и что каждая эпоха партий в целом отражает проблему.

        Если нет, вы будете перемещать веса повсюду или вперед/назад при каждом обновлении, а не обобщать хорошо.
      

            Спасибо вам за ваш ответ.

            Я также только что подтвердил, что Keras разделит предоставленный X в мини-пакетах только один раз, прежде чем войти в цикл эпохи.

          
                Да.
               

    Сегодня мне в голову пришел один вопрос.

    Что происходит при обучении нейронной сети в мини-пакетах, когда метки классов несбалансированы. Должны ли мы расслаивать партии?

    Потому что кажется, что мой NN предсказывает только доминирующий класс, что бы я ни делал!
   
        Отличный вопрос. У нас бывают плохие времена!

        Иногда эксперты советовали чередовать классы в каждой партии. Иногда расслаиваются. Это может зависеть от проблемы/модели. 

        Тем не менее, несбалансированные данные - это проблема, независимо от вашей стратегии обновления. Передискретизация обучающего набора - отличное решение.
        
            Я обязательно взгляну на эту книгу.

            Кстати, я на самом деле занимаюсь рейтинговым бизнесом. Так что у меня очень мало 1-го и 2-го ранга, но много 3-го и выше, где-то как (10%, 10%, 80%) соответственно.

            Что я сделал, так это взглянул на проблему с другой точки зрения и преобразовал свой несбалансированный многоклассовый набор данных в уравненный двоичный набор данных.

            

      У меня есть вопрос – Если я правильно понял, веса и смещения обновляются после выполнения пакета, поэтому любые изменения после запуска пакета применяются к следующему пакету? И так продолжается и дальше.
    
        Правильно.
        

   Сейчас я нахожусь в середине изучения практического машинного обучения, и часть 2 в главе 11 я не могу понять значение пакетной обработки. Сначала я думаю, что нейронная сеть должна обучаться по образцу один за другим. Но они сказали “партия”, и я не могу понять на земле.
    Но ваша статья дает мне хорошее представление о партии.
    Я полностью понимаю вас только по одному вопросу.
    Как я могу использовать метод градиента с пакетной обработкой?
    Я имею в виду, что в одном примере это понятно.
    Но с пакетной обработкой я не понимаю, как оценить ошибку.
    Спасибо.
   

        Это происходит один за другим, но после “пакетного” количества выборок веса обновляются с накопленной ошибкой.
        
 

    Я надеялся, что вы сможете помочь мне с моими довольно длинными запутанными вопросами (извините). Я очень новичок в глубоком обучении. 

Безусловно, спасибо за то, что сделали это – это облегчает жизнь без забивания головы и времени для некоторых на изучение нескольких источников

    У меня есть вопрос, основанный на... не могли бы вы сослаться на другие процедуры, используемые для обновления параметров в случае других алгоритмов.

    Каждый шаг включает использование модели с текущим набором внутренних параметров для прогнозирования некоторых выборок, сравнение прогнозов с реальными ожидаемыми результатами, вычисление ошибки и использование ошибки для обновления внутренних параметров модели.

    Эта процедура обновления отличается для разных алгоритмов, но в случае искусственных нейронных сетей используется алгоритм обновления обратного распространения.

        

    в современных подходах к обучению deeeep я почти всегда сталкиваюсь с тем, что люди сохраняют свои модели после некоторого количества эпох (или некоторого периода времени), визуализируя какие-то показатели производительности для оценки следующих значений гипер-параметров, после чего они проводят свои эксперименты для следующих эпох. Таким образом, мы можем назвать эту процедуру "мини-эпохальным стохастическим глубоким обучением". Спасибо.
   

        Спасибо, что поделились.
       

    Это блестяще и прямолинейно. Спасибо за мини-курс
  

        Я рад, что это помогло.
       

    

    Еще раз спасибо за отличный пост в блоге. Для данных временных рядов в LSTM имеет ли смысл когда-либо иметь размер пакета больше одного?
    Я искал и искал, и я не мог найти ни одного примера, где размер пакета больше одного, но я также не нашел никого, кто сказал бы, что это не имеет смысла.
    
        Да, если вы хотите, чтобы модель обучалась в нескольких под-последовательностях.

        У меня есть несколько сообщений, которые демонстрируют это по расписанию.
     

    спасибо вам за ваше объяснение действительно очень большое спасибо еще раз
    

        Я рад, что это помогло.
       

    Я читал много блогов, написанных вами о таких вещах. Это мне очень помогает, спасибо! 

     

    Спасибо, отличное объяснение. До сих пор ваш блог является лучшим источником для изучения ML, который я нашел (для начинающих, таких как я).
   
    Я также вижу "steps_per_epoch" в некоторых случаях, что это значит? Это то же самое, что и партии?
   

        Количество пакетов, которые необходимо извлечь из генератора, чтобы определить эпоху.
       

    Привет,
обновления выполняются после завершения каждой партии. Я просто использовал один образец и дал разные размеры пакета в model.fit, почему значение меняется каждый раз?...он должен быть способен принимать один размер партии, если есть только один образец, не так ли?