机器学习笔记：神经网络层的各种normalization

Posted 2021-09-20 UQI-LIUWJ

1 Normalization的引入

1.1 独立同分布

        机器学习，尤其是深度学习的模型，如果它的数据集时独立同分布的（i.i.d.  independent and identically distributed），那么模型的效果最好。

        独立同分布的数据可以简化常规机器学习模型的训练、提升机器学习模型的预测能力

        因此，很多模型在将数据喂入机器学习模型之前，都会有一步“白化”（whitening）操作。

        

白化一般包含两个目的：

（1）去除特征之间的相关性 —> 独立；

（2）使得所有特征具有相同的均值和方差 —> 同分布。

1.2 内部协变量偏移（Internal Covariate Shift， ICS）

        神经网络模型，尤其是深度神经网络模型，训练困难的一个重要原因是，深度神经网络涉及到很多层的叠加，而每一层的参数更新会导致上层的输入数据分布发生变化。

        通过层层叠加，高层的输入分布变化相比于底层来说，回有很大的出入。

        为了训好模型，我们需要非常谨慎地去设定学习率、初始化权重、以及尽可能细致的参数更新策略。

1.2.1 用公式解释ICS

        统计机器学习中的一个经典假设是，“源空间（source domain）和目标空间（target domain）的数据分布是一致的。（如果不一致，那么就出现了新的机器学习问题，如 迁移学习transfer learning等）

        而 ICS就是分布不一致假设之下的一个分支问题，它是指源空间和目标空间的条件概率是一致的，但是其边缘概率不同

        

        对于神经网络的各层输出，由于它们经过了层内操作作用，其分布会有很大的概率与各层对应的输入信号分布不同（所以）。

        这个层内输出和输入之间的差异会随着网络深度增大而增大。可是它们所能“指示”的样本标记（即P(Y|X)，已知输入X之后的输出Y）仍然是不变的。

1.2.2 ICS的问题

• 神经网络不同层的参数需要不断适应新的输入数据分布，降低学习速度。
• 下层输入的变化可能趋向于变大或者变小，导致上层落入饱和区（比如下层的输出很大，上层又接了一个tanh激活函数，上层输出没有什么区别），使得学习过早停止

• 每层的更新都会影响到其它层，因此每层的参数更新策略需要尽可能的谨慎。

1.2.3 梯度饱和

        sigmoid激活函数和tanh激活函数存在梯度饱和的区域，其原因是激活函数的输入值过大或者过小，其得到的激活函数的梯度值会非常接近于0，使得网络的收敛速度减慢

        传统的方法是使用不存在梯度饱和区域的激活函数，例如ReLU等。

        batch normalization(BN)也可以缓解梯度饱和的问题，它的策略是在调用激活函数之前将Wx+b  的值归一化到梯度值比较大的区域。

 

2 Batch normalization

本小节主要来自：【 深度学习李宏毅 】 Batch Normalization （中文）_哔哩哔哩_bilibili

2.1 feature scaling

我们回想一下之前说的feature scaling（机器学习笔记：梯度下降_UQI-LIUWJ的博客-CSDN博客）

        假设参数x1和参数x2的重要性是一样的，但是由于x2参数的数量级远远大于x1参数，所以如果w1,w2同等变化的话，x2对于loss的影响会更大。

        这种情况我们可以对不同变量设置不同的learning rate，但是这样的话，比较繁琐，而且参数量多的情况下也不一定好做。

        于是我们对参数进行normalization的方法，将x1和x2参数都归一化到相同的数量级（相同的分布）【如上图右所示】，此时w1,w2同等变化的时候，x1,x2对loss的影响相似。

于是对输入参数x1,x2,...xn，我们对参数的每一个维度，计算一个均值一个标准差，将参数的每一个维度分别进行归一化。

2.2 batch normalization的引入

        现在我们有很多层的神经网络。我们从layer2的角度看，layer1的输出a1，就是layer2的输入。

        那么对于layer2来说，我们也希望它的输入也可以被normalize一下。

        但是，此时layer2的输入和layer1的输入不同之处在于，layer1的输入就是整个模型的输入，取决于数据集，是固定不变的。

        但是随着网络的不断训练，layer1参数的不断更新，layer2的输入也会相应的一直变动，于是我们需要在训练过程中不断地计算均值和方差。 

        这时候我们就需要一种技术来计算均值和方差，这种技术就是batch normalization

2.3 Batch

        在开始介绍batch normalization之前，我们再回顾一下batch的知识。

 

        在数据集很大的时候，我们一般会挑出一些数据组成一个batch，来更新神经网络各层的参数（SGD,stochastic gradient descent）

        以上图为例，我们的batch_size=3，那么每一次我们选择三条数据x1,x2,x3，就会分别取计算它们经过神经网络之后的output，然后利用output反向传播更新参数

       

        而如果我们在GPU上进行这个training的操作，GPU会把一个batch的数据contact起来，拼成一个大矩阵，然后将这个大矩阵和神经网络中的各个参数进行运算操作。 

        这也是GPU可以加速运算的一个方面 

 2.4 batch normalization

        下图是一个很简略的batch normalization的示意。注意这里的μ，σ都是Z的每一个维度计算一个相应的值（换句话说，μ和σ都是向量。向量的每一个维度相当于对应维度Z的均值和方差）

        假设一个批量有 m 个样本，每个样本有d个特征。那么这个批量的每个样本第 k 个特征的归一化后的值为

                                 

         一般来说，都是先batch normalization，再进行激活函数。

        理论上，μ和σ应该是整个数据集的μ和σ。但是实际操作中，一般都是一个batch算一个μ和一个σ。因为如果算整个数据集的话，会有两点弊端：

1. 数据集可能很大，计算会很耗时
2. 由于训练的时候，W也是在batch与batch之间不断更新的。所以一个很大的数据集里面，不同的batch遇到的W是不一样的

2.4.1 Batch normalization 反向传播

现在有一个问题：batch normalization怎么反向传播？

         如果认为，减去的μ和除掉的σ都是常数，所以和原来不用normalization的情况下一样反向传播，那就错了。 因为这里的μ和σ都是通过z来计算得到的，并不是一个常数。

        我们可以想成：在原来的基础上，多了计算μ、计算σ以及计算归一化结果三个神经网络层（只不过这三个神经网络层的参数是不用更新的）

        所以我们反向传播的时候，误差也要经过这三个“神经网络层”

2.4.2 batch normalization 变体

 对于某些激活函数来说，可能别的均值和方差比N(0,1)要好一些

这是我们也可以接上一个类似于全连接层的东西，是z从N(0,1)变换到N(γ，β）

如果γ=σ，μ=β，那么是不是batch normalization就没有意义了？

其实不是，μ和σ是根据z求出来的，而γ和μ则是神经网络根据自身特点决定的

2.4.3 batch normalization的testing

test的时候，只有一笔数据，不好估计它的均值和方差 

这里有两个方法：

1）训练好神经网络之后，再用所有的训练集求得各层z对应的μ和σ（当traing data很大的时候，不太适用）

2）记录训练过程中的μ，加权就和（一开始的权重少，后来的权重大） 

2.5 Batch normalization的优点

1）解决了ICS的问题，这就可以让我们的学习率大一点

2）缓解了梯度爆炸

3）参数初始化的影响很小了

 3 layer normalization

本节参考：NLP中 batch normalization与 layer normalization - 知乎 (zhihu.com)

相比于batch normalization，layer normalization要做的事情是：对于每一个变量，将这个变量的所有的特征进行缩放 ，使得这些特征满足N(0,1)

 以NLP 为例

        假设我一句话的维度是：[N,C,HW]，对应的是 [batchsize, seq_len, dims]

        batch normalization可以看成：我一共C(seq_len)个不同的特征，一共N*HW个（batch_size*dims）参数。每次将C个特征中的一个，即N*HW个参数进行归一化操作 

        

         layer normalization可以看成：我一共C*HW(seq_len*dims)个不同的特征，一共N个（batch_size）参数。每次将N个参数中的一个，即C*HW(seq_len*dims)个不同的特征进行归一化操作 

        

4 normalization适用场景 

batch normalization ——一个特征一趟归一化	每个 mini-batch 比较大，数据分布比较接近。         BN 需要在运行过程中统计每个 mini-batch 的一阶统计量和二阶统计量，因此不适用于 动态的网络结构 和 RNN 网络
layer normalization ——一个样本一趟归一化	N 针对单个训练样本进行，不依赖于其他数据，因此可以避免 BN 中受 mini-batch 数据分布影响的问题，可以用于 小 mini-batch 场景、动态网络场景和 RNN，特别是自然语言处理领域。         LN 不需要保存 mini-batch 的均值和方差，节省了额外的存储空间。 ***BN 的转换是针对单个神经元可训练的——不同神经元的输入经过再平移和再缩放后分布在不同的区间，而 LN 对于一整层的神经元训练得到同一个转换——所有的输入都在同一个区间范围内。如果不同输入特征不属于相似的类别（比如颜色和大小），那么 LN 的处理可能会降低模型的表达能力。

N——一个batch的通道个数；C一个样本的特征数量

上面三张图来自BatchNorm, LayerNorm, InstanceNorm和GroupNorm总结 | 文艺数学君 (mathpretty.com)

 可以看到，只有Batch normalization是和batch的大小有关的

 

参考文献：

详解深度学习中的Normalization，BN/LN/WN - 知乎 (zhihu.com)

NLP中 batch normalization与 layer normalization - 知乎 (zhihu.com)

【 深度学习李宏毅 】 Batch Normalization （中文）_哔哩哔哩_bilibili

BatchNorm, LayerNorm, InstanceNorm和GroupNorm总结 | 文艺数学君 (mathpretty.com)