【深度学习-pytorch篇】4. 正则化方法(Regularization Techniques)

正则化方法(Regularization Techniques)

1. 目标

  • 理解什么是过拟合及其影响
  • 掌握常见正则化技术:L2 正则化、Dropout、Batch Normalization、Early Stopping
  • 能够使用 PyTorch 编程实现这些正则化方法并进行比较分析

2. 数据构造与任务设定

本实验是一个带噪声的回归任务,目标函数为 y = x + N ( 0 , σ 2 ) y = x + \mathcal{N}(0, \sigma^2) y=x+N(0,σ2)。使用均匀分布采样输入 x ∈ − 1 , 1 x \in -1, 1 x∈−1,1。

python 复制代码
import numpy as np
import torch
import torch.utils.data as Data

N_SAMPLES = 20
NOISE_RATE = 0.4

train_x = np.linspace(-1, 1, N_SAMPLES)[:, np.newaxis]
train_y = train_x + np.random.normal(0, NOISE_RATE, train_x.shape)

validate_x = np.linspace(-1, 1, N_SAMPLES // 2)[:, np.newaxis]
validate_y = validate_x + np.random.normal(0, NOISE_RATE, validate_x.shape)

test_x = np.linspace(-1, 1, N_SAMPLES)[:, np.newaxis]
test_y = test_x + np.random.normal(0, NOISE_RATE, test_x.shape)

# 转换为 Tensor
train_x = torch.tensor(train_x, dtype=torch.float32)
train_y = torch.tensor(train_y, dtype=torch.float32)
validate_x = torch.tensor(validate_x, dtype=torch.float32)
validate_y = torch.tensor(validate_y, dtype=torch.float32)
test_x = torch.tensor(test_x, dtype=torch.float32)
test_y = torch.tensor(test_y, dtype=torch.float32)

train_dataset = Data.TensorDataset(train_x, train_y)
train_loader = Data.DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=10, shuffle=True)

3. 模型定义

3.1 原始 MLP(无正则化)

python 复制代码
import torch.nn as nn
import torch.nn.init as init

class FC_Classifier(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim=1, hidden_dim=100, output_dim=1):
        super().__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(input_dim, hidden_dim)
        self.fc2 = nn.Linear(hidden_dim, output_dim)
        self.activation = nn.ReLU()
        self._init_weights()

    def _init_weights(self):
        init.normal_(self.fc1.weight, mean=0.0, std=0.1)
        init.constant_(self.fc1.bias, 0)
        init.normal_(self.fc2.weight, mean=0.0, std=0.1)
        init.constant_(self.fc2.bias, 0)

    def forward(self, x):
        x = self.activation(self.fc1(x))
        return self.fc2(x)

3.2 Dropout MLP

python 复制代码
class DropoutMLP(nn.Module):
    def __init__(self, dropout_rate=0.5):
        super().__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(1, 100)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout_rate)
        self.fc2 = nn.Linear(100, 1)
        self.activation = nn.ReLU()
        self._init_weights()

    def _init_weights(self):
        init.normal_(self.fc1.weight, mean=0.0, std=0.1)
        init.constant_(self.fc1.bias, 0)
        init.normal_(self.fc2.weight, mean=0.0, std=0.1)
        init.constant_(self.fc2.bias, 0)

    def forward(self, x):
        x = self.dropout(self.fc1(x))
        x = self.activation(x)
        return self.fc2(x)

3.3 Batch Normalization MLP

python 复制代码
class BNMLP(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.bn_input = nn.BatchNorm1d(1)
        self.fc1 = nn.Linear(1, 100)
        self.bn_hidden = nn.BatchNorm1d(100)
        self.fc2 = nn.Linear(100, 1)
        self.activation = nn.ReLU()

    def forward(self, x):
        x = self.bn_input(x)
        x = self.fc1(x)
        x = self.bn_hidden(x)
        x = self.activation(x)
        return self.fc2(x)

4. Early Stopping 策略

当验证集误差连续若干轮无提升时,提前停止训练,避免过拟合。

python 复制代码
max_patience = 5
patience = 0
best_val_loss = float("inf")
is_early_stop = False

5. RMSNorm 实现与讲解

5.1 原理说明

RMSNorm 是一种替代 LayerNorm 的轻量化归一化方法:

  • 不减均值
  • 仅用激活值的均方根进行归一化
  • 不依赖 batch 维度

数学公式:

RMS ( x ) = 1 n ∑ i = 1 n x i 2 \text{RMS}(x) = \sqrt{\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n x_i^2} RMS(x)=n1i=1∑nxi2

RMSNorm ( x ) = x RMS ( x ) + ϵ ⋅ γ \text{RMSNorm}(x) = \frac{x}{\text{RMS}(x) + \epsilon} \cdot \gamma RMSNorm(x)=RMS(x)+ϵx⋅γ

其中 γ \gamma γ 为可学习参数, ϵ \epsilon ϵ 是一个很小的数避免除以 0。

5.2 代码实现

python 复制代码
class RMSNorm(nn.Module):
    def __init__(self, hidden_size, eps=1e-6):
        super().__init__()
        self.weight = nn.Parameter(torch.ones(hidden_size))
        self.eps = eps

    def forward(self, x):
        rms = torch.sqrt(torch.mean(x ** 2, dim=-1, keepdim=True) + self.eps)
        return self.weight * x / rms

5.3 与其他归一化对比

方法 是否减均值 是否除方差 是否依赖 batch
BatchNorm 是 是 是
LayerNorm 是 是 否
RMSNorm 否 是 (仅 RMS) 否

6. 实验建议

  • 尝试不同的 Dropout 比例(如 0.1 / 0.3 / 0.5)并观察效果;
  • 对比是否每层都加 BatchNorm 是否更优;
  • 比较 L2 正则项中 weight decay 的不同取值;
  • 使用 RMSNorm 替代 LayerNorm 做对比实验。
相关推荐
LabVIEW开发10 分钟前
AI 如何接进 LabVIEW:链路怎么搭、边界在哪、还差什么
人工智能·驱动开发·labview
liferecords19 分钟前
不训练一个参数,把图像编辑器变成视频编辑器:EditVid 的局部-全局拆解术
人工智能·llm·aigc·多模态
装不满的克莱因瓶29 分钟前
【SpringAI Alibaba】ReactAgent响应SSE实时流式传输案例实战
java·人工智能·ai·sse·springai
挖掘狂人1 小时前
程序员转型抉择:转 Agent 开发还是转全栈?一份基于招聘市场的冷静分析
人工智能·程序员·agent
墨林陌1 小时前
AI 热点日报(2026-11-10):英伟达AI Day首尔开幕,苹果重回市值第一,黄仁勋遭免职调查
人工智能
Kapaseker1 小时前
你花大价钱买的那张 5090 可能跑不了本地 AI 模型
人工智能
程序员果子2 小时前
本体构建方法
人工智能·python·知识图谱·agent框架·本体
深蓝AI2 小时前
Meta FAIR 开源 e-means:k-means 十分之一的轮数跑出更低损失,已并入 Faiss
人工智能·程序员
IT_陈寒2 小时前
Vue这个奇葩的响应式问题让我加班到凌晨
前端·人工智能·后端