7.1.1 L2参数正则化

什么是L2正则化

[success] L2正则化，别名：权重衰减，weight decay，L2参数惩罚，岭回归，Tikhonov 正则

在第5.2节中我们已经看到过最简单而又最常见的参数范数惩罚，即通常被称为权重衰减（weight decay）的$L^2$参数范数惩罚。 这个正则化策略通过向目标函数添加一个正则项$\Omega(\theta) = \frac{1}{2} ||{w}||_2^2$，使权重更加接近原点。

[info] 更一般地，我们可以将参数正则化为接近空间中的任意特定点，令人惊讶的是这样也仍有正则化效果，但是特定点越接近真实值结果越好。 当我们不知道正确的值应该是正还是负时，零是有意义的默认值。 由于模型参数正则化为零的情况更为常见，我们将只探讨这种特殊情况。

例如假设要训练的模型与另一个已经训练的模型非常相似，可以令这个模型的参数接近已经训练模型的参数。

在其他学术圈，$L^2$也被称为岭回归或Tikhonov正则。

我们可以通过研究正则化后目标函数的梯度，洞察一些权重衰减的正则化表现。 为了简单起见，我们假定其中没有偏置参数，因此$\theta$就是$w$。

[success] 在下文中会出现$\theta$和w混用的情况，把所有$\theta$都看作是w就可以了。

这样一个模型具有以下总的目标函数：

$$\begin{aligned} \tilde{J}(w;X, y) =\frac{\alpha}{2} w^\top w + J(w;X, y) \end{aligned}$$

[success] $J(w;X, y)$为基本代价函数。 $\tilde{J}(w;X, y)$正则化的代价函数。

与之对应的梯度为

$$\begin{aligned} \nabla_{w} \tilde{J}(w;X,y) =\alpha w + \nabla_{w} J(w;X, y) \end{aligned}$$

使用单步梯度下降更新权重，即执行以下更新：

$$\begin{aligned} w \leftarrow w - \epsilon(\alpha w + \nabla_{w} J(w;X, y)) \end{aligned}$$

换种写法就是：

$$\begin{aligned} w \leftarrow (1-\epsilon \alpha)w - \epsilon \nabla_{w} J(w;X, y) \end{aligned}$$

我们可以看到，加入权重衰减后会引起学习规则的修改，即在每步执行通常的梯度更新之前先收缩权重向量（将权重向量乘以一个常数因子）。

[success] 这就是“weight decay”的含义。

这是单个步骤发生的变化。 但是，在训练的整个过程会发生什么呢？

L2正则化的效果

我们进一步简化分析，令$w^*$为未正则化的目标函数取得最小训练误差时的权重向量，即$w^* = \arg\min_{w} J(w)$， 并在$w^*$的邻域对目标函数做二次近似。

[success] 当w=w时，J(w)取到最小值，此时$\nabla_{w} J(w;X, y)=0$。 *问：什么叫“对目标函数做二次近似”? 答：将目标函数按照泰勒公式展开，并保留其中的函数项、一阶项和二阶项。即：

$$\begin{aligned} J(\theta) = J(w) \approx & J(w^*) + \\ & (w - w^*)^\top \nabla_{w} J(w;X, y) + \\ & \frac{1}{2}(w - w^*)^\top H (w - w^*) \end{aligned}$$

如果目标函数确实是二次的(如以均方误差拟合线性回归模型的情况)，则该近似是完美的。

[success] 在二阶近似的过程中，将展开项中高于二阶的项都省略掉的，因此只是近似。 但如果目标函数本身是二次的，那么它展开后高于二阶的项都是0。省略的都是0项，因此说该近似是完美的。

近似的$\hat J(\theta)$如下

$$\begin{aligned} \hat J(\theta) = J(w^*) + \frac{1}{2}(w - w^*)^\top H (w - w^*), \end{aligned}$$

[danger] 注意这里是$\hat J(\theta)$，表示对基本代价函数$J(\theta)$的近似，与上文中表示带正则化项的代价函数$\tilde J(\theta)$是不同的。

其中H是J在$w^*$处计算的Hessian矩阵(关于w)。

[success] Hessian矩阵

因为$w^*$被定义为最优，即梯度消失为$0$，所以该二次近似中没有一阶项。 同样地，因为$w^*$是J的一个最优点，我们可以得出H是半正定的结论。

[success] 半正定矩阵 根据Hessian矩阵的性质，当w处是极小值时，H矩阵是半正定的。

当$\hat J$取得最小时，其梯度公式（7.7）

$$\begin{aligned} \nabla_{w} \hat{J}(w) = H (w - w^*) \end{aligned}$$

为0。

[success] 公式（7.7）的意思是，函数$\hat J(w)$在w处的梯度为$H (w - w^*)$。

[warning] $\hat{J}(w)$的梯度$\nabla_{w} \hat{J}(w)$是怎么推导出来的？

为了研究权重衰减带来的影响，我们在式（7.7）中添加权重衰减的梯度。

[success] $\hat J(\theta)$近似$J(\theta)$，所以认为$\nabla_{w} {J}(\theta) = \nabla_{w} \hat{J}(\theta)$ 根据公式7.3，计算出$\nabla_{w} \tilde {J}(\theta) = \alpha w + \nabla_{w} {J}(\theta) = \alpha w + H(w-w^*)$

现在我们探讨最小化正则化后的$\hat J$。 我们使用变量$\tilde{w}$表示此时的最优点:

$$\begin{aligned} & \alpha \tilde{w} + H (\tilde{w} - w^*) = 0 \\ \Rightarrow & (H + \alpha I) \tilde{w} = H w^* \\ \Rightarrow & \tilde{w} = (H + \alpha I)^{-1} H w^* & (7.10) \end{aligned}$$

当$\alpha$趋向于0时，正则化的解$\tilde{w}$会趋向$w^*$。 那么当$\alpha$增加时会发生什么呢？ 因为H是实对称的，所以我们可以将其分解为一个对角矩阵$\Lambda$和一组特征向量的标准正交基$Q$，并且有$H = Q \Lambda Q^\top$。

[success] 实对称矩阵的特征分解 标准正交

将其应用于公式7.10，可得：

$$\begin{aligned} \tilde w &= ( Q \Lambda Q^\top + \alpha I)^{-1} Q \Lambda Q^\top w^* \\ &= [ Q( \Lambda+ \alpha I) Q^\top ]^{-1} Q \Lambda Q^\top w^* \\ &= Q( \Lambda+ \alpha I)^{-1} \Lambda Q^\top w^* & (7.13) \end{aligned}$$

[success] 以上公式推导过程会用到标准正交矩阵的性质。 Q是标准正交矩阵，因此满足$Q^\top = Q^{-1}$

我们可以看到权重衰减的效果是沿着由H的特征向量所定义的轴缩放$w^*$。

[success] Q是H的特征向量组成的矩阵。因此公式7.13看作是对w*沿着H的特征向量所定义的轴缩放。

具体来说，我们会根据$\frac{\lambda_i}{\lambda_i + \alpha}$因子缩放与$H$第$i$个特征向量对齐的$w^*$的分量。

[success] $( \Lambda+ \alpha I)^{-1} \Lambda$是对角矩阵，对角线上的值为$\frac{\lambda_i}{\lambda_i + \alpha}$，因此可以把对角线的值可以看作是对应特征向量的轴上的缩放比例。

（不妨查看图2.3回顾这种缩放的原理）。

[info] 图2.3

沿着H特征值较大的方向(如$\lambda_i \gg \alpha$)正则化的影响较小。 而$\lambda_i \ll \alpha$的分量将会收缩到几乎为零。 这种效应如图7.1所示。

只有在显著减小目标函数方向上的参数会保留得相对完好。

[warning] “显著减小目标函数方向”与"$\lambda$很大的方向"怎么联系？

在无助于目标函数减小的方向（对应Hessian矩阵较小的特征值）上改变参数不会显著增加梯度。 这种不重要方向对应的分量会在训练过程中因正则化而衰减掉。

L2正则化在机器学习中的效果

目前为止，我们讨论了权重衰减对优化一个抽象通用的二次代价函数的影响。 这些影响具体是怎么和机器学习关联的呢？ 我们可以研究线性回归，它的真实代价函数是二次的，因此我们可以使用相同的方法分析。 再次应用分析，我们会在这种情况下得到相同的结果，但这次我们使用训练数据的术语表述。 线性回归的代价函数是平方误差之和：

[warning] 对于线性回归来说，cross-entropy代价函数与MSE代价函数是等价的。 其它情况呢？怎么计算cross entropy的代价函数。

$$\begin{aligned} (X w - y)^\top (X w - y) \end{aligned}$$

我们添加$L^2$正则项后，目标函数变为

$$\begin{aligned} (X w - y)^\top (X w - y) + \frac{1}{2}\alpha w^\top w. \end{aligned}$$

这将普通方程的解从

$$\begin{aligned} w = (X^\top X)^{-1} X^\top y & (7.16) \end{aligned}$$

变为

$$\begin{aligned} w = (X^\top X + \alpha I)^{-1} X^\top y && (7.17) \end{aligned}$$

公式7.16中的矩阵$X^\top X$与协方差矩阵$\frac{1}{m}X^\top X$成正比。 $L^2$正则项将这个矩阵替换为公式7.17中的$(X^\top X + \alpha I)^{-1}$ 这个新矩阵与原来的是一样的，不同的仅仅是在对角加了$\alpha$。 这个矩阵的对角项对应每个输入特征的方差。 我们可以看到，$L^2$正则化能让学习算法“感知”到输入x具有较高的方差，这会使得学习算法压缩那些与输出目标的协方差较小（相对增加方差）的特征的权重。

[warning] [?]与输出目标的协方差?