Efficient BackProp 정리

정석으로 배우는 딥러닝 책을 다 읽었는데, 더 자세히 보고 싶어서 참고 문헌에 있던 논문들을 하나씩 찾아보기 시작했습니다.

이 논문은 Efficient BackProp1이라는 제목의 논문으로, Yann LeCun, Leon Bottou 등의 저자들에 의해 작성됨.

대충대충 다시 볼 내용들만 정리합니다. 일단 궁금했던 부분까지만 읽어요.

수정

18.09.20 수정 4.3 ~

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우선 BackProp(BackPropagation을 줄여씀)은 쉽고, 연산의 효율성이 좋고, 잘 동작하는 경우가 많아서 매우 흔한 Neural Network 학습 알고리즘이다.

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머신 러닝 접근법이 여러가지가 있는데 gradient-base인 학습법이 많이들 성공적이라고 한다.

쉽게 보면 인 함수를 연산하는게 Learning Machine인데, 가 p번째 입력값이고, 가 가중치이다. 그 결과값이 prediction. 주어진 데이터셋은 으로 본다. 그 결과로 Cost를 로 쓸 수 있다. 학습은 를 minimize 시키는 과정. 자주 쓰이는 예시 중 하나인 Mean Squared Error는 , 이다.

generalize 하는 능력이 중요. 새로운 것에 대해 에러 없이 잘 처리하는 능력 말한다. Generalization Technique은 네트워크 상의 에러를 잘 정정하려고 하는 것이다. 여기서 나오는 많은 것들은 cost function에 대한 minimization strategy들과 그것들을 빠르고, 정확히 하기 위한 트릭들이라고 한다.

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classical한 Multi-layer feed-forward NN이라고 하더라도 Gradient-base 학습을 적용하는 것이 많다고 한다. 가장 simple한 learning procedure는 (minimization) gradient descent algorithm인데, 이다. Loss를 해당 변수로 미분한 값이 Gradient이다. 는 간단한 경우 스칼라 값이다. 그 외에 diagonal matrix, estimate of the inverse Hessian matrix of the cost function 일수도 있다. cost가 인자를 두개 받으니 second order. step size (learning rate)인 를 잘 선택하는 법은 나중에 거론한다고 한다.

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BackProp은 cost surface가 non-quadratic, non-convex, high-dimensional with many local minima and/or flat regions인 multilayer 네트워크일 때 매우 느릴 수 있다고 한다. 어떤 식도 네트워크의 convergence를 보장할 수 없다.(전혀 발생할 수 없진 않고, 항상 좋은 정답으로 갈수도 없고, 빠른지도 모르고)

4.1

Stochastic 과 Batch를 비교하는데, Batch는 전체 데이터셋을 순회하는 것, Stochastic은 Error의 기댓값을 구하는 것. Stochastic 장점은 3가지.

  • 보통 Stochastic이 batch보다 훨씬 빠르다.
  • 보통 더 좋은 답을 낸다. => batch면 갈 확률이 높은 local minima를 벗어날 수 있단다.
  • 변경사항 tracking하는데 쓸 수 있다.

물론 Batch도 좋다고 한다.

  • convergence 조건이 이해하기 좋다.
  • Batch에만 동작하는 Acceleration Technique들이 많다.
  • 이론적인 분석이 훨씬 간단하다.

이 이점들은 모두 Stochastic이 noise 특성이 있기 때문이라고…

우리는 fluctuation을 줄이기 위해(noise를 없애기 위해) learning rate를 annealing하거나, adaptive batch size를 적용할 수 있다. adaptive batch size는 mini-batches를 활용하는 것인데, 처음에는 작은 batch를 이용하다가 점점 큰 batch를 이용하는 것이다.

4.2

네트워크는 가장 익숙하지 않은 sample로부터 빠르게 배운다. 따라서 시스템에게 제일 익숙하지 않은 것들을 매 iteration마다 가져다 주는 것이 좋다. Stochastic만 해당. 방법은 아래와 같다.

  1. Training set을 섞고, 이어진 example들이 거의 같은 class에 속하지 않도록 해라.
  2. large error를 만들어내는 example들을 자주 넣어라.

4.3 Normalizing the Inputs

보통 Convergence는 각각의 input variable들의 평균이 0에 가까울 때 빠르다. 극단적인 경우에 입력값이 전부 양수면 학습을 느리게 할 수 있으니, 데이터 분포를 생각해 데이터의 평균이 0이 되도록 만들어 준다. Convergence는 근데 평균이 0으로 될때만 빠른게 아니라 같은 공분산(Covariance2)을 가지도록 해줘도 빨라진다.

그 우리가 보통 생각하는 Covariance Matrix가 아니고 그냥 아래처럼 간단하게 썼다.

는 covariance of input variable이고, 는 p번째 training example의 i번째 컴포넌트이다.

  1. 평균이 0이 되도록 옮겨준다.
  2. covariance가 같아지도록 입력을 rescale해준다.
  3. 입력 변수들은 가능하면 uncorrelated 되어야 한다.

이를 위해 KL Expansion3으로 알려진 PCA를 할수도 있다고 한다. (to remove linear correlations in inputs)

4.4 The Sigmoid

가장 유명한 Activation function 중 하나. 단조 증가 함수(monotonically increasing function)이다. 그리고 특정한 유한한 값으로 수렴한다. 또는 가 많이 쓰이는데, Sigmoid도 4.3과 같은 이유때문에 output을 0에 가깝게 내어서 원점 대칭이 선호된다. (그 값은 다음 layer의 input이다)

  1. 따라서 hyperbolic tangent 함수가 보통 convergence가 빠르다.
  2. 추천되는 sigmoid는 이다. tanh 함수는 때때로 계산하기 힘들어서 ratio of polynomials로 근사한 함수가 쓰일 때도 있다.
  3. 작은 linear term을 추가하는 것이 도움이 되기도 한다. flat spots들을 피할 수 있기 때문. 처럼

하지만 잠재적인 위험이 있을 수 있는데, 그건 symmetric sigmoid를 쓰면 origin 근처에서 very flat 할 수 있다는 것이다. 따라서 very small weights로 초기화를 해준다. origin에서 먼 error surface는 매우 flat하기 떄문이다. 3번을 사용하는 것도 도움이 된다.

4.5

나중에 더 읽기로


  1. http://yann.lecun.com/exdb/publis/pdf/lecun-98b.pdf 이 링크말고도 여러가지가 있는 듯 한데, 그냥 구글링해서 찾았다. 

  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Covariance 공분산에 대해서는 이 링크 참고 

  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Karhunen–Loève_theorem 나중에 읽어봐야지… 

July 24, 2018 에 작성
Tags: machine learning paper