深度学习中Xavier初始化

Posted 2021-01-29 houkai

“Xavier”初始化方法是一种很有效的神经网络初始化方法，方法来源于2010年的一篇论文《Understanding the difficulty of training deep feedforward neural networks》。

文章主要的目标就是使得每一层输出的方差应该尽量相等。下面进行推导：每一层的权重应该满足哪种条件才能实现这个目标。

和方差相关的定理

假设有随机变量x和w，它们都服从均值为0，方差为σ的分布，且独立同分布，那么：

• wx就会服从均值为0，方差为σσ的分布
• wx+wx就会服从均值为0，方差为2σσ的分布

文章实验用的激活函数是tanh激活函数，函数形状如下左图，右图是其导数的函数形状。

从上图可以看出，当x处于0附近时，其导数/斜率接近与1，可以近似将其看成一个线性函数，即f(x)=x。

假设输入数据的均值为o，方差为(delta_x)，如果第一层是卷基层，卷基层共n个参数，(n=C*k_h*k_w)，于是有：

[z_j= sum_{i}^{n}{w_i*x_i}]

其中，忽略偏置b

假设x和w是独立同分布，则(Var(z)=n*delta_x*delta_w)，为了更好地表达，将层号放在变量上标处：
[delta_x^2=n^1*delta_x^1*delta_w^1]

全连接和卷积层都可以看做是n个参数的线性变换，进而有：(delta_x^3=n^2*delta_x^2*delta_w^2)，如果k层的网络，有：
[delta_x^k=n^{k-1}*delta_x^{k-1}*delta_w^{k-1} =n^{k-1}*n^{k-2}*delta_x^{k-2}*delta_w^{k-2}*delta_w^{k-1} =delta_x^1*prod_{i=1}^{k-1}{(n^i*delta_w^i)}]

从上式中可以看出，后面的连乘是很危险的，如果(n^i*delta_w^i)总是大于1，最后的方差为越来越大；如果乘机小于1，最后的方差就越来越小。所以我们回头再看第一个公式：
[delta_x^2=n^1*delta_x^1*delta_w^1]
如果满足(delta_x^2=delta_x^1)，即保证输出方差和输出方差一直便可以避免上述问题，得到：
[delta_w^1=frac{1}{n^1}]

对于任意一层i,应该满足：
[delta_w^i=frac{1}{n^i}]
(n^i)是w参数的输入层。

反向传播的情况

假设第k层的梯度为(frac{partial{Loss}}{partial{x_j^k}})，对于第k-1层，有：
[frac{partial{Loss}}{partial{x_j^{k-1}}} = sum_{i=1}^{n}{frac{partial{Loss}}{partial{x_i^k}}*w_j^{ki}}]

这里的参数n表示的是输出端的数目。

如果每层的方差服从均值为o，方差为某值的分布，有：
[Var(frac{partial{Loss}}{partial{x_j^{k-1}}})= n^k*Var(frac{partial{Loss}}{partial{x_i^k}})*delta_w^k]
对于k层的网络，可以推导得到：
[Var(frac{partial{Loss}}{partial{x_j^{1}}} =Var(frac{partial{Loss}}{partial{x_i^k}})* prod_{2}^{k}{(n^i*delta_w^i)} ]
上式的连乘同样危险，所以我们取(Var(frac{partial{Loss}}{partial{x_j^{k-1}}}) = Var(frac{partial{Loss}}{partial{x_i^k}}))
故：
[delta_w^k = frac{1}{n^k}]
这里的n表示输出的维度。

为了均衡考虑，我们设置方差应该满足
[delta_w^k=frac{2}{n^k+n^{k+1}}]

实际应用

论文提出使用均匀分布进行初始化，我们设定权重要初始化的范围是[-a,a]。而均匀分布的方差为:

[Var(uniform)=frac{(a-(-a))^2}{12}=frac{a^2}{3}=delta_w^k]

所以：
[a=sqrt{frac{6}{n^k+n^{k+1}}}]
这就是xavier初始化方法，即把参数初始化成下面范围内的均匀分布：
[[-sqrt{frac{6}{n^k+n^{k+1}}}, sqrt{frac{6}{n^k+n^{k+1}}}]]