深度学习中batch_size设置大小在神经网络训练中的影响

深度学习中batch_size设置大小在神经网络训练中的影响

1.首先介绍Batch Normalization（BN/批标准化）的概念
传统的神经网络，只是在将样本x输入输入层之前对x进行标准化处理，以降低样本间的差异性。BN是在此基础上，不仅仅只对输入层的输入数据x进行标准化，还对每个隐藏层的输入进行标准化
那什么是标准化呢？
标准化使得不同的特征具有相同的尺度（Scale）经过处理的数据符合标准正态分布，即均值为0，标准差为1，其转化函数为：
x’=(x-u)/&,其中μ为所有样本数据的均值，&为所有样本数据的标准差
需要说明的事并不是任何问题都必须事先把原始数据进行规范化 , 也就是数据规范化这一步并不是必须要做的 , 要具体问题具体看待。比如视频人体行为识别就不需要标准化，他的数据格式都是一样的

2. Covariate Shift问题

Convariate shift是BN论文作者提出来的概念，指的是具有不同分布的输入值对深度网络学习的影响。当神经网络的输入值的分布不同是，我们可以理解为输入特征值的scale差异较大，与权重进行矩阵相乘后，会产生一些偏离较大地差异值；而深度学习网络需要通过训练不断更新完善，那么差异值产生的些许变化都会深深影响后层，偏离越大表现越为明显；因此，对于反向传播来说，这些现象都会导致梯度发散，从而需要更多的训练步骤来抵消scale不同带来的影响，也就是说，这种分布不一致将减缓训练速度。

而BN的作用就是将这些输入值进行标准化，降低scale的差异至同一个范围内。这样做的好处在于一方面提高梯度的收敛程度，加快模型的训练速度；另一方面使得每一层可以尽量面对同一特征分布的输入值，减少了变化带来的不确定性，也降低了对后层网路的影响，各层网路变得相对独立，缓解了训练中的梯度消失问题。
（因此总结起来，BN的作用主要有）
3. BN的作用

缓解DNN训练中的梯度消失问题
加快模型的训练速度

(1) 不考虑bn的情况下，batch size的大小影响完成每个epoch所需要的时间，根本原因还是CPU，GPU算力。
对于一个大小为N的训练集，其中假设mini-batch大小为b（就是有几个batch），那么每个epoch所需的迭代次数(正向+反向)为N/b（一个batch的大小为N/b），即迭代batch_size次, 因此完成每个epoch所需的时间大致也随着迭代次数的增加而增加
epochs:所有输入数据单次前向和反向传递一次是一个epoch；
interations（迭代次数）：每一次迭代都是一个batch的数据进行一次权重更新，每次权重更新需要batch_size个数据进行前向传播得到损失函数，再反向传播更新参数
mini-batch太小（把训练数据划分了几个batch），即batch_size太大，相邻mini-batch间的差异相对过大，那么相邻两次迭代的梯度震荡情况会比较严重，不利于收敛； mini-batch越大，相邻mini-batch间的差异相对越小，虽然梯度震荡情况会比较小，一定程度上利于模型收敛，但如果b极端大，相邻mini-batch间的差异过小，相邻两个mini-batch的梯度没有区别了，整个训练过程就是沿着一个方向蹭蹭蹭往下走，很容易陷入到局部最小值出不来
（2）（存疑，只是突发奇想）如果硬件资源允许，想要追求训练速度使用超大batch，可以采用一次正向+多次反向的方法，避免模型陷入局部最小值。即使用超大epoch做正向传播，在反向传播的时候，分批次做多次反向转播，比如将一个batch size为64的batch，一次正向传播得到结果，instance级别求loss（先不平均），得到64个loss结果；反向传播的过程中，分四次进行反向传播，每次取16个instance的loss求平均，然后进行反向传播，这样可以做到在节约一定的训练时间，利用起硬件资源的优势的情况下，避免模型训练陷入局部最小值。
反向的过程取决于模型的复杂度，与batchsize的大小关系不大，而正向则同时取决于模型的复杂度和batch size的大小。而本次实验中反向的过程要比正向的过程时间消耗大得多，所以batch size的大小对完成每个iter所需的耗时影响不大。
完成每个epoch运算的所需的全部时间主要卡在：1. load数据的时间，2. 每个epoch的iter数量。 因此对于每个epoch，不管是纯计算时间还是全部时间，大体上还是大batch能够更节约时间一点，但随着batch增大，iter次数减小，完成每个epoch的时间更取决于加载数据所需的时间，此时也不见得大batch能带来多少的速度增益了
对于较小的batch，要设置小lr的原因之一，避免异常值对结果造成的扰巨大扰动，防止损失loss产生爆炸，而对于较大的batch，要设置大一点的lr的原因则是大batch每次迭代的梯度方向相对固定，大lr可以加速其收敛过程。