BatchNorm

BN的基本思想其实相当直观:因为深层神经网络在做非线性变换前的激活输入值(就是那个x=WU+B,U是输入)随着网络深度加深或者在训练过程中,其分布逐渐发生偏移或者变动,之所以训练收敛慢,一般是整体分布逐渐往非线性函数的取值区间的上下限两端靠近(对于Sigmoid函数来说,意味着激活输入值WU+B是大的负值或正值),所以这导致反向传播时低层神经网络的梯度消失,这是训练深层神经网络收敛越来越慢的本质原因,而BN就是通过一定的规范化手段,把每层神经网络任意神经元这个输入值的分布强行拉回到均值为0方差为1的标准正态分布,其实就是把越来越偏的分布强制拉回比较标准的分布,这样使得激活输入值落在非线性函数对输入比较敏感的区域,这样输入的小变化就会导致损失函数较大的变化,意思是这样让梯度变大,避免梯度消失问题产生,而且梯度变大意味着学习收敛速度快,能大大加快训练速度。

THAT’S IT。其实一句话就是:对于每个隐层神经元,把逐渐向非线性函数映射后向取值区间极限饱和区靠拢的输入分布强制拉回到均值为0方差为1的比较标准的正态分布,使得非线性变换函数的输入值落入对输入比较敏感的区域,以此避免梯度消失问题。因为梯度一直都能保持比较大的状态,所以很明显对神经网络的参数调整效率比较高,就是变动大,就是说向损失函数最优值迈动的步子大,也就是说收敛地快。BN说到底就是这么个机制,方法很简单,道理很深刻。

从上面几个图应该看出来BN在干什么了吧?其实就是把隐层神经元激活输入x=WU+B从变化不拘一格的正态分布通过BN操作拉回到了均值为0,方差为1的正态分布,即原始正态分布中心左移或者右移到以0为均值,拉伸或者缩减形态形成以1为方差的图形。什么意思?就是说经过BN后,目前大部分Activation的值落入非线性函数的线性区内,其对应的导数远离导数饱和区,这样来加速训练收敛过程。

但是很明显,看到这里,稍微了解神经网络的读者一般会提出一个疑问:如果都通过BN,那么不就跟把非线性函数替换成线性函数效果相同了?这意味着什么?我们知道,如果是多层的线性函数变换其实这个深层是没有意义的,因为多层线性网络跟一层线性网络是等价的。这意味着网络的表达能力下降了,这也意味着深度的意义就没有了。所以BN为了保证非线性的获得,对变换后的满足均值为0方差为1的x又进行了scale加上shift操作(y=scale*x+shift),每个神经元增加了两个参数scale和shift参数,这两个参数是通过训练学习到的,意思是通过scale和shift把这个值从标准正态分布左移或者右移一点并长胖一点或者变瘦一点,每个实例挪动的程度不一样,这样等价于非线性函数的值从正中心周围的线性区往非线性区动了动。

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