第十七章 大规模机器学习（Large Scale Machine
17.1 大型数据集的学习
如果我们有一个低方差的模型，增加数据集的规模可以帮助你获得更好的结果。我们应该怎样应对一个有100万条记录的训练集？
以线性回归模型为例，每一次梯度下降迭代，我们都需要计算训练集的误差的平方和，如果我们的学习算法需要有20次迭代，这便已经是非常大的计算代价。
首先应该做的事是去检查一个这么大规模的训练集是否真的必要，也许我们只用1000个训练集也能获得较好的效果，我们可以绘制学习曲线来帮助判断。
我们有时候可以通过图形去展现我们的结果，这样可能会更加客观，也会比较清晰地对比其中的差别。
17.2 随机梯度下降法
如果我们一定需要一个大规模的训练集，我们可以尝试使用随机梯度下降法（SGD）来代替批量梯度下降法。
随机梯度下降法：只通过一个随机选取的数据来获取“梯度”，以此对进行更新。
在随机梯度下降法中，我们定义代价函数为一个单一训练实例的代价：
随机梯度下降算法在每一次计算之后便更新参数，而不需要首先将所有的训练集求和，在梯度下降算法还没有完成一次迭代时，随机梯度下降算法便已经走出了很远。但是这样的算法存在的问题是，不是每一步都是朝着”正确”的方向迈出的。因此算法虽然会逐渐走向全局最小值的位置，但是可能无法站到那个最小值的那一点，而是在最小值点附近徘徊。
优点：
由于不是在全部训练数据上的损失函数，而是在每轮迭代中，随机优化某一条训练数据上的损失函数，这样每一轮参数的更新速度大大加快。
缺点：
（1）准确度下降。由于即使在目标函数为强凸函数的情况下，SGD仍旧无法做到线性收敛。
（2）可能会收敛到局部最优，由于单个样本并不能代表全体样本的趋势。
（3）不易于并行实现。
17.3 小批量梯度下降
小批量梯度下降算法是介于批量梯度下降算法和随机梯度下降算法之间的算法，每计算常数次训练实例，便更新一次参数
。
通常我们会令在
之间。这样做的好处在于，我们可以用向量化的方式来循环
个训练实例，如果我们用的线性代数函数库比较好，能够支持平行处理，那么算法的总体表现将不受影响（与随机梯度下降相同）。
优点：
（1）通过矩阵运算，每次在一个batch上优化神经网络参数并不会比单个数据慢太多。
（2）每次使用一个batch可以大大减小收敛所需要的迭代次数，同时可以使收敛到的结果更加接近梯度下降的效果。(比如上例中的30W，设置batch_size=100时，需要迭代3000次，远小于SGD的30W次)
（3）可实现并行化。
缺点：
batch_size的不当选择可能会带来一些问题。
17.4 随机梯度下降收敛
现在我们介绍随机梯度下降算法的调试，以及学习率的选取。
在批量梯度下降中，我们可以令代价函数为迭代次数的函数，绘制图表，根据图表来判断梯度下降是否收敛。但是，在大规模的训练集的情况下，这是不现实的，因为计算代价太大了。
在随机梯度下降中，我们在每一次更新之前都计算一次代价，然后每
次迭代后，求出这
次对训练实例计算代价的平均值，然后绘制这些平均值与
次迭代的次数之间的函数图表。
当我们绘制这样的图表时，可能会得到一个颠簸不平但是不会明显减少的函数图像（如上面左下图中蓝线所示）。我们可以增加来使得函数更加平缓，也许便能看出下降的趋势了（如上面左下图中红线所示）；或者可能函数图表仍然是颠簸不平且不下降的（如洋红色线所示），那么我们的模型本身可能存在一些错误。
如果我们得到的曲线如上面右下方所示，不断地上升，那么我们可能会需要选择一个较小的学习率。
我们也可以令学习率随着迭代次数的增加而减小。随着我们不断地靠近全局最小值，通过减小学习率，我们迫使算法收敛而非在最小值附近徘徊。但是通常我们不需要这样做便能有非常好的效果了，对进行调整所耗费的计算通常不值得。
上面我们近似地监测出随机梯度下降算法在最优化代价函数中的表现，这种方法不需要定时地扫描整个训练集，来算出整个样本集的代价函数，而是只需要每次对最后1000个，或者多少个样本，求一下平均值。应用这种方法，你既可以保证随机梯度下降法正在正常运转和收敛，也可以用它来调整学习速率的大小。
17.5 映射花间和数据并行
映射化简和数据并行对于大规模机器学习问题而言是非常重要的概念。之前提到，如果我们用批量梯度下降算法来求解大规模数据集的最优解，我们需要对整个训练集进行循环，计算偏导数和代价，再求和，计算代价非常大。如果我们能够将我们的数据集分配给不多台计算机，让每一台计算机处理数据集的一个子集，然后我们将计所的结果汇总在求和。这样的方法叫做映射简化。
具体而言，如果任何学习算法能够表达为，对训练集的函数的求和，那么便能将这个任务分配给多台计算机（或者同一台计算机的不同CPU核心），以达到加速处理的目的。
例如，我们有400个训练实例，我们可以将批量梯度下降的求和任务分配给4台计算机进行处理：
很多高级的线性代数函数库已经能够利用多核CPU的多个核心来并行地处理矩阵运算，这也是算法的向量化实现如此重要的缘故（比调用循环快）。
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参考：
