Black-Box

Multi-Fidelity

总结

三、网络架构搜索

Neural Architecture Search (神经架构的搜索)

早期NAS的工作：通过强化学习（Reinforcement Learning）

One-shot 方法

可微的结构搜索（Differentiable Architecture Search）

缩放CNN

最近的研究方向的重点

总结

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手动调超参数

选取一个好的超参数得到一个好的结果是比较花时间的过程
一般会从一个好的基线开始。(Baseline)
基线是什么？

• 选一个质量比较高的工具包，其中设了不错的参数，虽然可能对我们的问题不算是最好的，但是是一个不错的开始点；
• 如果要做的东西是跟某些论文相关，可以看看该论文里面的超参数是什么（有些超参数跟特定的数据集有关），这些超参数在一般的情况下都不错

有了比较好的起始点之后，调整超参数后再重新训练模型，再去看看验证集上的结果（精度、损失）

• 一次调一个值，多个值同时调可能会不知道谁在起贡献
• 看看模型对超参数的敏感度是什么样子【没调好一个超参数模型可能会比较差，但是调好了也只是到了还不错的范围】
• 想对超参数没那么敏感的话，可以使用比较好的模型【在优化算法中使用Adam(对有些超参数没那么敏感，调参会简单很多)而不是SGD（在比较小的区域比较好）】

多次调参的管理

• 每次调参一定要做好笔记【任何调过的东西，最好将这些实验管理好】（训练日志、超参数记录下来，这样可以与之前的实验做比较，也好做分享，与自己重复自己的实验）
• 最简单的做法是将log记录到txt上，把超参数和关键性指标（训练误差）放在excel中【适合实验没有那么多的参数】
• Tensorboard，tensorflow开发的一个可视化工具
• weight&kbias：允许在训练的时候用他们的API，然后把实验记录下来后上传到他们的网页上，就可以进行比较

重复一个实验是非常难的

• 开发的环境：用的硬件是什么、新旧GPU可能会有点不一样；用的库的版本（Python本身也要去注意）
• 代码开发要做好版本控制（可以将每个版本的代码放在同一个地方 需求的库也放在这里）
• 要注意随机性（改变了随机种子，模型抖动比较大的话，说明代码的稳定性不是很好）【要避免换了个随机种子后，结果浮动比较大。这样的话，尝试能不能将不稳定的地方修改一下，实在不行就将多个模型做ensemble】

机器调参与人调参的成本比较

• 在小任务上很多时候已经可以用机器来做了（到最后可能都是用机器来调参【人的成本在增加】）
• 训练树模型在CPU上花10min 大概花$0.4
• 训练神经网络在GPU花1h左右 大概花$5
• 跟人比（人大概花十天左右），算法训练1000次调参数，很有可能会打败人类（90%）

自动调参（AutoML）

• AutoML在模型选择这一块做的比较好
• 超参数的优化（HPO）【比较通用】：通过搜索的方法，找到一个集合去调整模型的超参数
• NAS（Neural architecture search）【专注于神经网络】：可以构造一个比较好的神经网络模型，使得能够拟合我们的任务
• 每个年代都有最大的技术痛点，当前AutoML可能是技术瓶颈。

总结

HPO算法

• black-box：每次一个训练任务 当作一个黑盒（每挑一组超参数，然后拿去训练，然后看模型的关键的衡量指标（精度、误差），再去选下一个怎么做）【可以适用于各种机器学习算法】；
• Multi-fidelity（讨论比较多）：因为训练一个模型太贵了（数据集很大，完整跑完很耗时间，还要试很多的话，太耗时了），所以可以不用把整个数据集给跑完（不关心最后的精度怎么样，只关心超参数之间的效果怎么样）；

以下是做法：

• 对数据集下采样（超参数如果在小数据集上效果比较好的话，在完整数据集上也不差）；
• 将模型的变小（SGD的超参数在resnet18上效果差不多的话，在resnet152上也可能是不错的）；
• 在训练时会对数据扫很多遍，但是对于不好的超参数来说，它训练一遍就知道它的效果怎么样了，所以不需要等到完全训练完，看到效果不好的，及时停止；
• 上面三点就是说，通过比较比较便宜点的但又跟完整训练有关系的任务来近似一个值，然后对超参数进行排序；

Black-box 虽然会贵一点但是任务计算量比较小或优化算法不知道的话，这个方法会比较好；Multi-fidelity知道一些任务的细节，可以将任务弄小一点，这样每次试验的时候成本没有那么高。

HPO算法有哪些

Black-Box:

• Grid Search:
• Random Search:
• Bayesian Optimization:
• Simulated Annealing
• Genetic Algorithms

Multi-Fidelity:

• Modeling Learning Curve
• Bandit Based(Successive Halving & Hyperband)

Black-Box

Grid search（网格搜索）：

• 其实就是一个暴力穷举，对search space中的每一个config(每一组值)，拿去训练一次然后去评价一次，把最好的结果返回出来，也就是把所有的组合过了一遍之后，再把最好的值返回出来。
• 只要搜索空间足够好，就能覆盖到比较好的值，并且一定能找出来；
• 特点就是所有都会评价（Evaluate）一遍，并且保证能找到最好值，但是有个很明显的缺点，搜索空间随着超参数的变多会指数级的增加，也就是“维度诅咒”。但是如果算法足够简单，就那几个参数选择不大的话，当然预算足够的话，也是可以的。

Random Search（随机搜索）：

• 随机搜索跟前面的有点类似，虽然也是有个search space 但是 我只选择n次，每一次在搜索空间中选出一个config，拿过去训练，再得出最好结果；
• 次数n保证了我们的这个算法一定会停，可以由我们自己选取，n取过大就跟网格搜索差不多，n取过小，可能并不是那么好用，就n要取得合适；
• 一般来说，随机搜索时一个非常有效的办法，再没有更好的想法之前可以尝试随机搜索
• 其实也可以不选n，可以是等到差不多的时候（感觉精度没有什么进展）直接把它停掉

网格搜索可能会出现精度平稳之后，精度还会上升的情况；但是随机搜索很少会出现这样的情况，除非没有随机好。

Bayesian Optimization（贝叶斯优化）：

• 在实际中用的不是那么多，因为相对来说比较复杂，但是是比较活跃的研究方向；

• BO（贝叶斯优化），是会学从一个超参数HP到目标函数（精度、损失）的一个函数【机器学习是数据到我们想要东西之间的一个映射的关系】，这里是说每一个数据点是一个模型；

• 就每做一个实验就会得到一个数据点，然后再拟合一个曲线出来；它在选下一个超参数去试的时候，会根据当前的评估，来的出数据点；

• Surrogate模型：就是拟合超参数与目标函数之间关系的模型，可以采用概率的一些regression模型，可以使用随机森林或者是高斯过程；

• 具体有张图：

• 随着采样的越来越多，对整个模型的进步会越来越准。

• 在一开始的时候其实跟random search差不多（获取函数还不够好，就只能随机挑值来做），再后期的时候（建模比较准）会比较好一点；

• 随机搜索是并行的算法，贝叶斯优化是顺序的算法（采下一个点需要等上一个完成才行）

• 到底是什么时候会好一点，如果预算不够的话（搜的质量跟随机搜索的差不多），这样是划不来的；如果贝叶斯能在前期就做的比随机搜索好，那这样的划得来的。

• 通常贝叶斯优化比随机搜索好的时候，一般来说是模型比较简单（模型比较简单的话，随机搜索也不差），或者是超参数的那个空间不那么复杂，或者有足够多的样本（需要很多的预算）

Multi-Fidelity

以下这两个算法在现实生活中用的比较多

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