Batch Normalization —— 加速深度神经网络收敛利器

Batch Normalization

Batch Normalization 提出自《Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate Shift》。其效果主要是加速网络收敛速度，并简化超参数的调节。

论文中列举的优势如下：

• 可以使用更高的学习率。如果每层的scale不一致，实际上每层需要的学习率是不一样的，同一层不同维度的scale往往也需要不同大小的学习率，通常需要使用最小的那个学习率才能保证损失函数有效下降，Batch Normalization将每层、每维的scale保持一致，那么我们就可以直接使用较高的学习率进行优化。
• 移除或使用较低的dropout。 dropout是常用的防止overfitting的方法，而导致overfit的位置往往在数据边界处，如果初始化权重就已经落在数据内部，overfit现象就可以得到一定的缓解。论文中最后的模型分别使用10%、5%和0%的dropout训练模型，与之前的40%-50%相比，可以大大提高训练速度。
• 降低L2权重衰减系数。 还是一样的问题，边界处的局部最优往往有几维的权重（斜率）较大，使用L2衰减可以缓解这一问题，现在用了Batch Normalization，就可以把这个值降低了，论文中降低为原来的5倍。
• 取消Local Response Normalization层。 由于使用了一种Normalization，再使用LRN就显得没那么必要了。而且LRN实际上也没那么work。
• 减少图像扭曲的使用。 由于现在训练epoch数降低，所以要对输入数据少做一些扭曲，让神经网络多看看真实的数据。

要解决的问题

Batch Normalization主要是为了解决internal covariate shift的问题。

什么是internal covariate shift问题呢？简单的说就是后一层要去处理前一层给的数据，而由于前一层的参数变化，后一层的输入分布会跟着变化，后一层的训练也要跟着分布的变化而变化。在深度神经网络中，往往有多层神经元，而前一层参数的变化会造成后层的剧烈变化。
我们可以想象，后一层好不容易把前一层给的数据训练的差不多了，前一层的参数一调，后面的神经元又得从头学习。这个过程很浪费时间，特别是在早期训练过程中。

基本思想

所以我们的基本思想就是，能不能让每一层输入的分布不要剧烈变动？最好它是同分布的。

如何让他们同分布呢？我们可以很容易想到利用normalization、白化这些方法来进行处理，就像我们对数据进行预处理一样。

好的，那么我们先来回顾一下normalization的作用。我们为什么要对数据进行normalization处理？

一般来说，我们得到的数据都是Figure 1， 而我们的随机化参数一般都在零点附近，所以如果不做任何操作的话，我们要先一路摸到数据均值点附近，才能进行比较好的分类。如果这个数据离原点比较远，那么我们就要花费很多的时间来摸到数据均值点附近了，这个其实是没什么意义的。
好，那么我们现在把数据拉到原点附近，这样就可以比较快的训练了。如figure 2.

还有的时候，特别是处理图片数据时，数据样本之间的相关性很大，所以得到的数据样本分布比较狭长，如Figure 3。这也是不利于我们训练的。想象一下，你对W稍微一调整分界超平面就飞出了样本外，真是糟糕。所以这个时候我们还对它进行一个操作，使它的方差为1，让它的分布比较均匀，如Figure 4.

如果我们再对它进行白化操作，使它的方差最大，数据和数据之间分布尽可能大，那我们的效果会更好。

好，既然我们知道了normalization的神奇作用，那我们就可以利用它来对付我们的internal covariate shift问题了。那想法很简单，我们在每次要送到激活函数前，进行一下normalization就可以了。

真的吗？

我们来观察一下sigmoid函数和relu函数

想一想，如果我们在送到激活函数前，对它进行了normalization，会发生什么？
对了，对于sigmoid函数，我们的数据会集中在-1,1这样的区间里。恩，它的变化很剧烈，收敛很快。但我们发现中间是近似于线性的，也就是说，我们相当于在用一层又一层的线性函数去做了训练。天哪，我们在干什么，难道我们不知道多层的线性和单层的线性效果是一样的吗。我们削弱了模型的刻画能力。
我们再看看relu，对relu来说，有人说我们产出了一堆随机0,1的，这个..我再求证一下。论文里并没有提到这个。

那可如何是好？论文引入了scal and shift，简单的说，就是在normalization之后，再进行一些移动和放缩，让它避免之前提到的那个问题。而这个参数，则由模型训练得到。
事实上，我觉得还是有点不讲理的，好不容易把大家的分布都进行了一个归一化，整到了一起，又特别来一个移动和放缩操作来把大家的分布脱离归一化。这也是这篇论文的争议之一。
我目前是这样理解的：
事实上，我们的目的是让每一层拿到一个稳定的分布进行处理，但我们直接进行归一化操作是“粗暴的”。我们让所有层要处理的“稳定分布”指定为均值为0，方差为1的分布。加入这样一个可训练的参数后，我们就允许每一层拥有一个属于它自己的稳定分布，并且这个分布是有效的，没有让激活函数失去非线性。
不过只是我目前的理解。欢迎讨论，如果以后有新的理解会再补充在这里。

算法

效果

该算法虽然理论还有争议的地方，但实验效果很好，目前已经在深度神经网络中广泛应用。

Reference

Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate Shift
解读Batch Normalization
机器学习（七）白化whitening
深度学习（二十九）Batch Normalization 学习笔记
Batch Normalization导读
Batch Normalization Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate Shift》阅读笔记与实现