为什么带Dropout的DNN总能预测一个？

Question

我已经实现了一个非常简单的深度神经网络来执行多标签分类。模型的概述是（为了简单的可视化而省略了偏差）：

即具有ReLU单位和Sigmoid作为输出单位的3层深度神经网络。

损失函数是Sigmoid Cross Entropy，使用的优化器是Adam。

当我训练NN 而没有 Dropout时，我得到以下结果：

    #Placeholders
    x = tf.placeholder(tf.float32,[None,num_features],name='x')
    y = tf.placeholder(tf.float32,[None,num_classes],name='y')

    keep_prob = tf.placeholder(tf.float32,name='keep_prob')

    #Layer1
    WRelu1 = tf.Variable(tf.truncated_normal([num_features,num_features],stddev=1.0),dtype=tf.float32,name='wrelu1')
    bRelu1 = tf.Variable(tf.zeros([num_features]),dtype=tf.float32,name='brelu1')
    layer1 = tf.add(tf.matmul(x,WRelu1),bRelu1,name='layer1')
    relu1 = tf.nn.relu(layer1,name='relu1')

    #Layer2
    WRelu2 = tf.Variable(tf.truncated_normal([num_features,num_features],stddev=1.0),dtype=tf.float32,name='wrelu2')
    bRelu2 = tf.Variable(tf.zeros([num_features]),dtype=tf.float32,name='brelu2')
    layer2 = tf.add(tf.matmul(relu1,WRelu2),bRelu2,name='layer2')
    relu2 = tf.nn.relu(layer2,name='relu2')

    #Layer3
    WRelu3 = tf.Variable(tf.truncated_normal([num_features,num_features],stddev=1.0),dtype=tf.float32,name='wrelu3')
    bRelu3 = tf.Variable(tf.zeros([num_features]),dtype=tf.float32,name='brelu3')
    layer3 = tf.add(tf.matmul(relu2,WRelu3),bRelu3,name='layer3')
    relu3 = tf.nn.relu(tf.matmul(relu2,WRelu3) + bRelu3,name='relu3')

    #Out layer
    Wout = tf.Variable(tf.truncated_normal([num_features,num_classes],stddev=1.0),dtype=tf.float32,name='wout')
    bout = tf.Variable(tf.zeros([num_classes]),dtype=tf.float32,name='bout')
    logits = tf.add(tf.matmul(relu3,Wout),bout,name='logits')

    #Predictions
    logits_sigmoid = tf.nn.sigmoid(logits,name='logits_sigmoid')

    #Cost & Optimizer
    cost = tf.losses.sigmoid_cross_entropy(y,logits)
    optimizer = tf.train.AdamOptimizer(LEARNING_RATE).minimize(cost)

测试数据的评估结果：

ROC AUC - micro average: 0.6474180196222774
ROC AUC - macro average: 0.6261438437099212

Precision - micro average: 0.5112489722699753
Precision - macro average: 0.48922193879411413
Precision - weighted average: 0.5131092162035961

Recall - micro average: 0.584640369246549
Recall - macro average: 0.55746897003228
Recall - weighted average: 0.584640369246549

当我训练这个NN 添加Dropout图层时，我得到以下结果：

    #Placeholders
    x = tf.placeholder(tf.float32,[None,num_features],name='x')
    y = tf.placeholder(tf.float32,[None,num_classes],name='y')

    keep_prob = tf.placeholder(tf.float32,name='keep_prob')

    #Layer1
    WRelu1 = tf.Variable(tf.truncated_normal([num_features,num_features],stddev=1.0),dtype=tf.float32,name='wrelu1')
    bRelu1 = tf.Variable(tf.zeros([num_features]),dtype=tf.float32,name='brelu1')
    layer1 = tf.add(tf.matmul(x,WRelu1),bRelu1,name='layer1')
    relu1 = tf.nn.relu(layer1,name='relu1')

    #DROPOUT
    relu1 = tf.nn.dropout(relu1,keep_prob=keep_prob,name='relu1drop')

    #Layer2
    WRelu2 = tf.Variable(tf.truncated_normal([num_features,num_features],stddev=1.0),dtype=tf.float32,name='wrelu2')
    bRelu2 = tf.Variable(tf.zeros([num_features]),dtype=tf.float32,name='brelu2')
    layer2 = tf.add(tf.matmul(relu1,WRelu2),bRelu2,name='layer2')
    relu2 = tf.nn.relu(layer2,name='relu2')

    #DROPOUT
    relu2 = tf.nn.dropout(relu2,keep_prob=keep_prob,name='relu2drop')

    #Layer3
    WRelu3 = tf.Variable(tf.truncated_normal([num_features,num_features],stddev=1.0),dtype=tf.float32,name='wrelu3')
    bRelu3 = tf.Variable(tf.zeros([num_features]),dtype=tf.float32,name='brelu3')
    layer3 = tf.add(tf.matmul(relu2,WRelu3),bRelu3,name='layer3')
    relu3 = tf.nn.relu(tf.matmul(relu2,WRelu3) + bRelu3,name='relu3')


    #DROPOUT
    relu3 = tf.nn.dropout(relu3,keep_prob=keep_prob,name='relu3drop')

    #Out layer
    Wout = tf.Variable(tf.truncated_normal([num_features,num_classes],stddev=1.0),dtype=tf.float32,name='wout')
    bout = tf.Variable(tf.zeros([num_classes]),dtype=tf.float32,name='bout')
    logits = tf.add(tf.matmul(relu3,Wout),bout,name='logits')

    #Predictions
    logits_sigmoid = tf.nn.sigmoid(logits,name='logits_sigmoid')


    #Cost & Optimizer
    cost = tf.losses.sigmoid_cross_entropy(y,logits)
    optimizer = tf.train.AdamOptimizer(LEARNING_RATE).minimize(cost)

测试数据的评估结果：

ROC AUC - micro average: 0.5
ROC AUC - macro average: 0.5

Precision - micro average: 0.34146163499985405
Precision - macro average: 0.34146163499985405
Precision - weighted average: 0.3712475781926326

Recall - micro average: 1.0
Recall - macro average: 1.0
Recall - weighted average: 1.0

正如您在Dropout版本中使用Recall值所看到的那样，NN输出始终为1，对于每个样本的每个类，总是为正类。

确实这不是一个简单的问题，但在应用Dropout之后，我预计至少会有类似的结果，如果没有Dropout，不会导致更糟糕的结果，当然也不会出现这种饱和输出。

为什么会发生这种情况？我怎么能避免这种行为？您是否在代码中看到了一些奇怪或不好的事情？

超参数：

辍学率：0.5 @ training / 1.0 @ inference

时代：500

学习率：0.0001

数据集信息：

实例数：+22.000

课程数量：6

谢谢！

Answer 1

最后，我设法用更多的实验解决了我自己的问题，所以这就是我想出来的。

我导出了Tensorboad图和权重，偏差和激活数据，以便在TB上探索它们。

然后我意识到重量不太好。

正如您所看到的，重量根本没有变化。换句话说，该层“没有学习”任何东西。

但是那时的摘要就在我面前。权重的分布过于宽泛。看看那个直方图范围，从[-2,2]太多了。

然后我意识到我正在使用

初始化权重矩阵

truncated_normal(mean=0.0, std=1.0)

这是一个非常高的正确init的std.dev。显而易见的技巧是使用更正确的初始化来初始化权重。然后，我选择“Xavier Glorot Initialization”，然后权重变为：

预测不再是积极的，再次成为混合预测。当然，由于Dropout，测试集的性能更好。

总之，没有Dropout的网络能够通过过于宽泛的初始化来学习一些东西，但是Dropout的网络没有，并且需要更好的初始化才能不被卡住。

感谢所有阅读过帖子并发表评论的人。