踩坑日志3：每一个epoch都会重新随机采样，固定batch容易使模型陷入局部解

前几天师弟在机器学习领域看到了一个对样本选择的方法，目的是从特征的角度均匀选择样本。如下图所示，首先初始化将样本的特征进行加和并归一化，迭代取出样本（取值最大的那个样本，再令样本的值乘以1-样本的值更新所有样本）。这般便可以从理论上均匀的取到不同分布的样本，于是猜想如果这样的方法用于深度学习的样本选择，是否可以弥补batch随机选择样本的“缺陷”。我也认为这很合理，值得一试！

我花了一整个下午实现这个方法，下方图片中，中间的是采用原来随机的方法，左右两幅图是采用上面的方法。实验结果很差，甚至在训练集上都不能过拟合，妥妥的陷入了局部。但是没有道理呀，理论上我们的方法比随机的采样更加具有合理性，应该更能让模型均衡地学习到东西。

 思索再三，还是上网搜索得到信息“使用固定的batch进行训练，可能会导致模型陷入局部最优”。那么就疑惑了，dataloader中shuffle=True难道就不是固定的了吗？你别说，事实上每一个epoch，dataloader都会重新随机采样。使用下面代码进行验证：

import torch
from torch.utils.data import DataLoader, Dataset
import random
import numpy as np
def seed_torch(seed=12):
    random.seed(seed)
    np.random.seed(seed)
    torch.manual_seed(seed)
    torch.cuda.manual_seed(seed)
    torch.cuda.manual_seed_all(seed) # 多GPU训练或分布式训练中
    torch.backends.cudnn.benchmark = False
    torch.backends.cudnn.deterministic = True
seed_torch()

# 创建自定义数据集
class CustomDataset(Dataset):
    def __init__(self, data):
        self.data = data

    def __len__(self):
        return len(self.data)

    def __getitem__(self, idx):
        return self.data[idx]

# 创建包含10个数据样本的数据集
data = torch.arange(10)  # 数据为 [0, 1, 2, ..., 9]
dataset = CustomDataset(data)

# 设置 DataLoader，batch_size=2, shuffle=True
dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=2, shuffle=True)

# 运行多个 epoch 来验证每个 epoch 的 batch 顺序是否不同
num_epochs = 3
for epoch in range(num_epochs):
    print(f"Epoch {epoch + 1}:")
    for batch in dataloader:
        print(batch.tolist())  # 输出 batch 中的元素
    print('-' * 30)

'''
输出结果：
Epoch 1:
[3, 1]
[7, 0]
[8, 2]
[5, 6]
[4, 9]
------------------------------
Epoch 2:
[2, 6]
[5, 8]
[9, 0]
[1, 3]
[4, 7]
------------------------------
Epoch 3:
[9, 5]
[4, 7]
[8, 0]
[3, 1]
[2, 6]
------------------------------
'''

结果就是，我们之前讨论方法存在问题，直接使用上面的算法会固定batch的生成，从而造成模型陷入局部解。但是理论上，随机取样本仍然可能存在样本不平衡的情况，或许半随机+半均匀采样结合起来才能避免二者问题。