什么是Dropout
我们知道，典型的神经网络其训练流程是将输入通过网络进行正向传导，然后将误差进行反向传播。Dropout就是针对这一过程之中，随机地删除隐藏层的部分单元，进行上述过程。
综合而言，上述过程可以分步骤为：
- 随机删除网络中的一些隐藏神经元，保持输入输出神经元不变；
- 将输入通过修改后的网络进行前向传播，然后将误差通过修改后的网络进行反向传播；
- 对于另外一批的训练样本，重复上述操作1.
Dropout作用分析
从Hinton的原文以及后续的大量实验论证发现，dropout可以比较有效地减轻过拟合的发生，一定程度上达到了正则化的效果。
论其原因而言，主要可以分为两个方面：
- 达到了一种Vote的作用。对于全连接神经网络而言，我们用相同的数据去训练5个不同的神经网络可能会得到多个不同的结果，我们可以通过一种vote机制来决定多票者胜出，因此相对而言提升了网络的精度与鲁棒性。同理，对于单个神经网络而言，如果我们将其进行分批，虽然不同的网络可能会产生不同程度的过拟合，但是将其公用一个损失函数，相当于对其同时进行了优化，取了平均，因此可以较为有效地防止过拟合的发生。
- 减少神经元之间复杂的共适应性。当隐藏层神经元被随机删除之后，使得全连接网络具有了一定的稀疏化，从而有效地减轻了不同特征的协同效应。也就是说，有些特征可能会依赖于固定关系的隐含节点的共同作用，而通过Dropout的话，就有效地组织了某些特征在其他特征存在下才有效果的情况，增加了神经网络的鲁棒性。
当前Dropout的使用情况
当前Dropout被大量利用于全连接网络，而且一般人为设置为0.5或者0.3，而在卷积隐藏层由于卷积自身的稀疏化以及稀疏化的ReLu函数的大量使用等原因，Dropout策略在卷积隐藏层中使用较少。
总体而言，Dropout是一个超参，需要根据具体的网路，具体的应用领域进行尝试。
pytorch代码实现
import torch
from torch.autograd import Variable
import matplotlib.pyplot as plt
# torch.manual_seed(1) # reproducible
N_SAMPLES = 20
N_HIDDEN = 300
# training data
x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, N_SAMPLES), 1)
y = x + 0.3*torch.normal(torch.zeros(N_SAMPLES, 1), torch.ones(N_SAMPLES, 1))
x, y = Variable(x), Variable(y)
# test data
test_x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, N_SAMPLES), 1)
test_y = test_x + 0.3*torch.normal(torch.zeros(N_SAMPLES, 1), torch.ones(N_SAMPLES, 1))
test_x, test_y = Variable(test_x, volatile=True), Variable(test_y, volatile=True)
# show data
'''
plt.scatter(x.data.numpy(), y.data.numpy(), c='magenta', s=50, alpha=0.5, label='train')
plt.scatter(test_x.data.numpy(), test_y.data.numpy(), c='cyan', s=50, alpha=0.5, label='test')
plt.legend(loc='upper left')
plt.ylim((-2.5, 2.5))
plt.show()
'''
net_overfitting = torch.nn.Sequential(
torch.nn.Linear(1, N_HIDDEN),
torch.nn.ReLU(),
torch.nn.Linear(N_HIDDEN, N_HIDDEN),
torch.nn.ReLU(),
torch.nn.Linear(N_HIDDEN, 1),
)
net_dropped = torch.nn.Sequential(
torch.nn.Linear(1, N_HIDDEN),
torch.nn.Dropout(0.5), # drop 50% of the neuron
torch.nn.ReLU(),
torch.nn.Linear(N_HIDDEN, N_HIDDEN),
torch.nn.Dropout(0.5), # drop 50% of the neuron
torch.nn.ReLU(),
torch.nn.Linear(N_HIDDEN, 1),
)
print(net_overfitting) # net architecture
print(net_dropped)
optimizer_ofit = torch.optim.Adam(net_overfitting.parameters(), lr=0.01)
optimizer_drop = torch.optim.Adam(net_dropped.parameters(), lr=0.01)
loss_func = torch.nn.MSELoss()
plt.ion() # something about plotting
for t in range(500):
pred_ofit = net_overfitting(x)
pred_drop = net_dropped(x)
loss_ofit = loss_func(pred_ofit, y)
loss_drop = loss_func(pred_drop, y)
optimizer_ofit.zero_grad()
optimizer_drop.zero_grad()
loss_ofit.backward()
loss_drop.backward()
optimizer_ofit.step()
optimizer_drop.step()
if t % 10 == 0:
# change to eval mode in order to fix drop out effect
net_overfitting.eval()
net_dropped.eval() # parameters for dropout differ from train mode
# plotting
plt.cla()
test_pred_ofit = net_overfitting(test_x)
test_pred_drop = net_dropped(test_x)
plt.scatter(x.data.numpy(), y.data.numpy(), c='magenta', s=50, alpha=0.3, label='train')
plt.scatter(test_x.data.numpy(), test_y.data.numpy(), c='cyan', s=50, alpha=0.3, label='test')
plt.plot(test_x.data.numpy(), test_pred_ofit.data.numpy(), 'r-', lw=3, label='overfitting')
plt.plot(test_x.data.numpy(), test_pred_drop.data.numpy(), 'b--', lw=3, label='dropout(50%)')
plt.text(0, -1.2, 'overfitting loss=%.4f' % loss_func(test_pred_ofit, test_y).data[0], fontdict={'size': 20, 'color': 'red'})
plt.text(0, -1.5, 'dropout loss=%.4f' % loss_func(test_pred_drop, test_y).data[0], fontdict={'size': 20, 'color': 'blue'})
plt.legend(loc='upper left'); plt.ylim((-2.5, 2.5));plt.pause(0.1)
# change back to train mode
net_overfitting.train()
net_dropped.train()
plt.ioff()
plt.show()
