神经网络中的批归一化(BatchNorm)

BatchNorm你可以把它想象成一个非常负责任的"整理员",它在神经网络每一层的入口处工作。

1. 核心问题:Internal Covariate Shift(内部协变量偏移)

  • 在没有 BatchNorm 之前,神经网络的每一层接收到的输入数据分布(比如数值的范围、均值、方差)总是在剧烈变化。因为前一层的参数在不断更新,它的输出分布自然也就变了。

  • 这就好比第二层的"厨师"本来已经习惯了处理偏咸的食材(一种数据分布),结果前一层"厨师"突然改了配方,把食材变得很甜。第二层"厨师"就蒙了,他得重新调整自己的"火候"(参数),导致整个网络训练起来很慢、很不稳定。

2. BatchNorm 做了什么?

BatchNorm 的解决方案非常直接:​​强行整理​​。

对于每一层输入的一批数据(比如一个 Batch 有 32 张图片),BatchNorm 会做三件事:

  1. ​计算这一批数据的均值和方差。​

  2. ​进行归一化:​​ 把这一批数据里的每个数值,都减去刚刚算出的均值,再除以方差。这样,这批数据就变成了一个均值为 0、方差为 1 的标准分布。

  3. ​缩放和平移:​​ 但强行把所有数据都变成标准分布可能会破坏上一层学到的特征。所以,BatchNorm 又引入了两个可以学习的参数(γ 和 β),对归一化后的数据进行一个线性变换(缩放和平移)。这样,网络可以自己决定是否需要恢复一些原来的分布特征。

​简单比喻:​​ 就像有一个整理员,每次都把送来的食材(数据)先统一调味成"标准口味"(均值为0,方差为1),然后再根据后面厨师(下一层)的偏好,稍微加盐或加糖(通过γ和β学习)。这样,后面的厨师总能接到口味稳定的食材,工作起来自然更高效。

3. BatchNorm 带来的巨大好处:

  • ​训练更快更稳定:​​ 解决了内部协变量偏移问题,网络可以使用更大的学习率,加速收敛。

  • ​对初始化不敏感:​​ 减轻了对参数初始值的依赖。

  • ​有轻微正则化效果:​​ 由于每个批次的均值方差都是基于当前批次估算的,会引入一些随机噪声,类似于Dropout的效果,可以一定程度上防止过拟合。

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