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Optimizing Recurrent Neural Networks: A Study on Gradient Normalization of Weights for Enhanced Training Efficiency

规范化(社会学) 梯度下降 超参数 计算机科学 循环神经网络 困惑 人工智能 人工神经网络 梯度法 随机梯度下降算法 机器学习 算法 语言模型 社会学 人类学
作者
Xinyi Wu,Bingjie Xiang,Huaizheng Lu,Chaopeng Li,Xingwang Huang,Weifang Huang
出处
期刊:Applied sciences [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:14 (15): 6578-6578 被引量:2
标识
DOI:10.3390/app14156578
摘要

Recurrent Neural Networks (RNNs) are classical models for processing sequential data, demonstrating excellent performance in tasks such as natural language processing and time series prediction. However, during the training of RNNs, the issues of vanishing and exploding gradients often arise, significantly impacting the model’s performance and efficiency. In this paper, we investigate why RNNs are more prone to gradient problems compared to other common sequential networks. To address this issue and enhance network performance, we propose a method for gradient normalization of network weights. This method suppresses the occurrence of gradient problems by altering the statistical properties of RNN weights, thereby improving training effectiveness. Additionally, we analyze the impact of weight gradient normalization on the probability-distribution characteristics of model weights and validate the sensitivity of this method to hyperparameters such as learning rate. The experimental results demonstrate that gradient normalization enhances the stability of model training and reduces the frequency of gradient issues. On the Penn Treebank dataset, this method achieves a perplexity level of 110.89, representing an 11.48% improvement over conventional gradient descent methods. For prediction lengths of 24 and 96 on the ETTm1 dataset, Mean Absolute Error (MAE) values of 0.778 and 0.592 are attained, respectively, resulting in 3.00% and 6.77% improvement over conventional gradient descent methods. Moreover, selected subsets of the UCR dataset show an increase in accuracy ranging from 0.4% to 6.0%. The gradient normalization method enhances the ability of RNNs to learn from sequential and causal data, thereby holding significant implications for optimizing the training effectiveness of RNN-based models.

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