作者：chen_h
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（六）pytorch学习笔记
什么是批标准化 (Batch Normalization)
今天我们会来聊聊批标准化 Batch Normalization.
普通数据标准化
Batch Normalization, 批标准化, 和普通的数据标准化类似, 是将分散的数据统一的一种做法, 也是优化神经网络的一种方法. 在之前 Normalization 的简介视频中我们一提到, 具有统一规格的数据, 能让机器学习更容易学习到数据之中的规律.
每层都做标准化
在神经网络中, 数据分布对训练会产生影响. 比如某个神经元 x 的值为1, 某个 Weights 的初始值为 0.1, 这样后一层神经元计算结果就是 Wx = 0.1; 又或者 x = 20, 这样 Wx 的结果就为 2. 现在还不能看出什么问题, 但是, 当我们加上一层激励函数, 激活这个 Wx 值的时候, 问题就来了. 如果使用 像 tanh 的激励函数, Wx 的激活值就变成了 ~0.1 和 ~1, 接近于 1 的部已经处在了 激励函数的饱和阶段, 也就是如果 x 无论再怎么扩大, tanh 激励函数输出值也还是 接近1. 换句话说, 神经网络在初始阶段已经不对那些比较大的 x 特征范围 敏感了. 这样很糟糕, 想象我轻轻拍自己的感觉和重重打自己的感觉居然没什么差别, 这就证明我的感官系统失效了. 当然我们是可以用之前提到的对数据做 normalization 预处理, 使得输入的 x 变化范围不会太大, 让输入值经过激励函数的敏感部分. 但刚刚这个不敏感问题不仅仅发生在神经网络的输入层, 而且在隐藏层中也经常会发生.
只是时候 x 换到了隐藏层当中, 我们能不能对隐藏层的输入结果进行像之前那样的normalization 处理呢? 答案是可以的, 因为大牛们发明了一种技术, 叫做 batch normalization, 正是处理这种情况.
BN 添加位置
Batch normalization 的 batch 是批数据, 把数据分成小批小批进行 stochastic gradient descent. 而且在每批数据进行前向传递 forward propagation 的时候, 对每一层都进行 normalization 的处理,
BN 效果
Batch normalization 也可以被看做一个层面. 在一层层的添加神经网络的时候, 我们先有数据 X, 再添加全连接层, 全连接层的计算结果会经过 激励函数 成为下一层的输入, 接着重复之前的操作. Batch Normalization (BN) 就被添加在每一个全连接和激励函数之间.
之前说过, 计算结果在进入激励函数前的值很重要, 如果我们不单单看一个值, 我们可以说, 计算结果值的分布对于激励函数很重要. 对于数据值大多分布在这个区间的数据, 才能进行更有效的传递. 对比这两个在激活之前的值的分布. 上者没有进行 normalization, 下者进行了 normalization, 这样当然是下者能够更有效地利用 tanh 进行非线性化的过程.
没有 normalize 的数据 使用 tanh 激活以后, 激活值大部分都分布到了饱和阶段, 也就是大部分的激活值不是-1, 就是1, 而 normalize 以后, 大部分的激活值在每个分布区间都还有存在. 再将这个激活后的分布传递到下一层神经网络进行后续计算, 每个区间都有分布的这一种对于神经网络就会更加有价值. Batch normalization 不仅仅 normalize 了一下数据, 他还进行了反 normalize 的手续. 为什么要这样呢?
BN 算法
我们引入一些 batch normalization 的公式. 这三步就是我们在刚刚一直说的 normalization 工序, 但是公式的后面还有一个反向操作, 将 normalize 后的数据再扩展和平移. 原来这是为了让神经网络自己去学着使用和修改这个扩展参数 gamma, 和 平移参数 β, 这样神经网络就能自己慢慢琢磨出前面的 normalization 操作到底有没有起到优化的作用, 如果没有起到作用, 我就使用 gamma 和 belt 来抵消一些 normalization 的操作.
最后我们来看看一张神经网络训练到最后, 代表了每层输出值的结果的分布图. 这样我们就能一眼看出 Batch normalization 的功效啦. 让每一层的值在有效的范围内传递下去.
Batch Normalization 批标准化
批标准化通俗来说就是对每一层神经网络进行标准化 (normalize) 处理, 我们知道对输入数据进行标准化能让机器学习有效率地学习. 如果把每一层后看成这种接受输入数据的模式, 那我们何不 “批标准化” 所有的层呢? 具体而且清楚的解释请看到 我制作的 什么批标准化 动画简介(推荐).
那我们就看看下面的两个动图, 这就是在每层神经网络有无 batch normalization 的区别啦.
做点数据
自己做一些伪数据, 用来模拟真实情况. 而且 Batch Normalization (之后都简称BN) 还能有效的控制坏的参数初始化 (initialization), 比如说 ReLU 这种激励函数最怕所有的值都落在附属区间, 那我们就将所有的参数都水平移动一个 -0.2 (bias_initialization = -0.2), 来看看 BN 的实力.
import torch
from torch import nn
from torch.nn import init
import torch.utils.data as Data
import torch.nn.functional as F
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
# 超参数
N_SAMPLES = 2000
BATCH_SIZE = 64
EPOCH = 12
LR = 0.03
N_HIDDEN = 8
ACTIVATION = F.tanh # 你可以换 relu 试试
B_INIT = -0.2 # 模拟不好的 参数初始化
# training data
x = np.linspace(-7, 10, N_SAMPLES)[:, np.newaxis]
noise = np.random.normal(0, 2, x.shape)
y = np.square(x) - 5 + noise
# test data
test_x = np.linspace(-7, 10, 200)[:, np.newaxis]
noise = np.random.normal(0, 2, test_x.shape)
test_y = np.square(test_x) - 5 + noise
train_x, train_y = torch.from_numpy(x).float(), torch.from_numpy(y).float()
test_x = torch.from_numpy(test_x).float()
test_y = torch.from_numpy(test_y).float()
train_dataset = Data.TensorDataset(train_x, train_y)
train_loader = Data.DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True, num_workers=2,)
# show data
plt.scatter(train_x.numpy(), train_y.numpy(), c='#FF9359', s=50, alpha=0.2, label='train')
plt.legend(loc='upper left')
plt.show()
搭建神经网络
这里就教你如何构建带有 BN 的神经网络的. BN 其实可以看做是一个 layer (BN layer). 我们就像平时加层一样加 BN layer 就好了. 注意, 我还对输入数据进行了一个 BN 处理, 因为如果你把输入数据看出是 从前面一层来的输出数据, 我们同样也能对她进行 BN. 注意, 视频里面对于 momentum 的描述说错了, 不是用来更新缩减和平移参数的, 而是用来平滑化 batch mean and stddev 的
class Net(nn.Module):
def __init__(self, batch_normalization=False):
super(Net, self).__init__()
self.do_bn = batch_normalization
self.fcs = [] # 太多层了, 我们用 for loop 建立
self.bns = []
self.bn_input = nn.BatchNorm1d(1, momentum=0.5) # 给 input 的 BN
for i in range(N_HIDDEN): # 建层
input_size = 1 if i == 0 else 10
fc = nn.Linear(input_size, 10)
setattr(self, 'fc%i' % i, fc) # 注意! pytorch 一定要你将层信息变成 class 的属性! 我在这里花了2天时间发现了这个 bug
self._set_init(fc) # 参数初始化
self.fcs.append(fc)
if self.do_bn:
bn = nn.BatchNorm1d(10, momentum=0.5)
setattr(self, 'bn%i' % i, bn) # 注意! pytorch 一定要你将层信息变成 class 的属性! 我在这里花了2天时间发现了这个 bug
self.bns.append(bn)
self.predict = nn.Linear(10, 1) # output layer
self._set_init(self.predict) # 参数初始化
def _set_init(self, layer): # 参数初始化
init.normal_(layer.weight, mean=0., std=.1)
init.constant_(layer.bias, B_INIT)
def forward(self, x):
pre_activation = [x]
if self.do_bn: x = self.bn_input(x) # 判断是否要加 BN
layer_input = [x]
for i in range(N_HIDDEN):
x = self.fcs[i](x)
pre_activation.append(x) # 为之后出图
if self.do_bn: x = self.bns[i](x) # 判断是否要加 BN
x = ACTIVATION(x)
layer_input.append(x) # 为之后出图
out = self.predict(x)
return out, layer_input, pre_activation
# 建立两个 net, 一个有 BN, 一个没有
nets = [Net(batch_normalization=False), Net(batch_normalization=True)]
训练
训练的时候, 这两个神经网络分开训练. 训练的环境都一样.
opts = [torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=LR) for net in nets]
loss_func = torch.nn.MSELoss()
losses = [[], []] # 每个网络一个 list 来记录误差
for epoch in range(EPOCH):
print('Epoch: ', epoch)
for step, (b_x, b_y) in enumerate(train_loader):
for net, opt in zip(nets, opts): # 训练两个网络
pred, _, _ = net(b_x)
loss = loss_func(pred, b_y)
opt.zero_grad()
loss.backward()
opt.step() # 这也会训练 BN 里面的参数
对比结果
首先来看看这次对比的两个激励函数是长什么样:
然后我们来对比使用不同激励函数的结果.
上面是使用 relu 激励函数的结果, 我们可以看到, 没有使用 BN 的误差要高, 线条不能拟合数据, 原因是我们有一个 “Bad initialization”, 初始 bias = -0.2, 这一招, 让 relu 无法捕捉到在负数区间的输入值. 而有了 BN, 这就不成问题了.
上面结果是使用 tanh 作为激励函数的结果, 可以看出, 不好的初始化, 让输入数据在激活前分散得非常离散, 而有了 BN, 数据都被收拢了. 收拢的数据再放入激励函数就能很好地利用激励函数的非线性. 而且可以看出没有 BN 的数据让激活后的结果都分布在 tanh 的两端, 而这两端的梯度又非常的小, 是的后面的误差都不能往前传, 导致神经网络死掉了.
链接：
https://morvanzhou.github.io/tutorials/machine-learning/torch/5-04-A-batch-normalization/
https://morvanzhou.github.io/tutorials/machine-learning/torch/5-04-batch-normalization/
https://github.com/MorvanZhou/PyTorch-Tutorial/blob/master/tutorial-contents/504_batch_normalization.py
