《Understanding the difficulty of training deep feedforward neural networks》笔记

版权声明：本文为博主原创文章，未经博主允许不得转载。 https://blog.csdn.net/KangRoger/article/details/61414426

《Understanding the difficulty of training deep feedforward neural networks》

概要

神经网络难以训练，作者想要读者更好理解：为什么梯度下降法不适用随机初始化权重的神经网络，且怎么设计更好的初始化方法。

作者发现随机化初始化权重时，不适合使用sigmod作为激活函数，因为它均值不为零，前面的hidden layer容易饱和；令人惊讶的时饱和的神经元可以自动变为不饱和，尽管过程很慢。

作者通过观察不同层的激活函数和梯度，提出了新的权重初始化方法，可以更快的是网络收敛。

Sigmod实验

bias初始化为零，权重初始化

$$W_{ij} \sim U[-\frac{1}{\sqrt n},\frac{1}{\sqrt n}]$$

$n$表示前一层的size（即前一层权重W的列数）

下图是5层网络中，4个隐藏层的激活值随epoc的变化：

通过图片可以看到，最后的隐藏层很快饱和，但是在epoch 100左右，又开始变为不饱和。其它几层的均值大概为0.5，随着训练进行开始变小。

上面这种情况很可能是因为随机初始化权重引起的。输出层为$softmax(b+Wh)$，这样的话，输出的结果更加依赖$b$(因为h饱和，接近为0），bias学习速度将会比$h$快。梯度误差将会使$Wh$向零靠近，造成前面的层学习不到有用的特征。这样训练的网络质量差，泛化性能差。

作者还对比了使用不同激活函数的情况。

代价函数的影响

在逻辑回归或似然估计时，使用softmax输出，cost function为对数函数$-logP(y|x)$比二次代价函数要好。一个2层网络，代价函数随两层网络权重变化如图：

交叉熵代价函数是黑色，二次型代价函数是红色；$W_1$和$W_2$分别表示两层的权重。可以看出二次型代价函数有明显的“平”的区域。

权重初始化

为了便于研究，假设使用线性激活函数$f(x)$，且在零点导数$f'(x)=1$。

对于一层网络

$$f(\textbf x) = \sum_i^n w_ix_i + b$$

输出的方差

$$Var(f(\textbf x)) = \sum_i^n Var(w_i x_i)$$

其中

$$Var(w_i x_i) = E[w_i]^2Var(x_i) + E[x_i]^2Var(w_i)+Var(w_i)Var(x_i)\\ 因为：E[x_i] = E[w_i] = 0\\ Var(w_i x_i) =Var(w_i)Var(x_i)$$
由于 $w$和 $x$独立同分布
$$Var(f(\textbf x)) = n Var(w_i) Var(x_i)$$

假设$\textbf z^i$是第$i$层的输入向量，$\textbf s^i$是第$i$层激活函数的输入

$$\textbf s^i = \textbf z^i W^i + \textbf b^i \\ \textbf z^{i+1} = f(\textbf s^i)$$

可以得到

$$\frac{\partial Cost}{\partial s_k^i} = f'(s_k^i) W_{k,\cdot}^{i+1} \frac{\partial Cost}{\partial s^{i+1}} \\ \frac{\partial Cost}{\partial w_{l,k}^i} = z_l^i \frac{\partial Cost}{\partial s_k^i}$$

假设第$i$层的大小为$n_i$，网络输入为$x$

$$f'(s_k^i) \approx 1\\ Var[z^i] = Var[x] \prod_{i'=0}^{i-1}n_{i'} Var[W^{i'}]$$

其中$Var[W^{i'}]$表示第$i'$层的共享权重的方差，对于$d$层的网络

$$Var[\frac{\partial Cost}{\partial s^i}]=Var[\frac{\partial Cost}{\partial s^d}] \prod_{i'=i}^{d}n_{i'+1} Var[W^{i'}] \\ Var[\frac{\partial Cost}{\partial w^i}]= \prod_{i'=0}^{i-1}n_{i'} Var[W^{i'}] \prod_{i'=i}^{d-1}n_{i'+1} Var[W^{i'}] \times Var[x] Var[\frac{\partial Cost}{\partial s^d}]$$

对于前向传播

$$\forall (i,i'), Var[z^i] = Var[z^{i'}]$$

对于反向传播：

$$\forall (i,i'), Var[\frac{\partial Cost}{\partial s^i}] = Var[\frac{\partial Cost}{\partial s^{i'}}]$$

因此得到：

$$\forall i, \quad n_i Var[W^i] = 1\\ \forall i, \quad n_{i+1} Var[W^i] = 1$$

一个层的输入输出一般不相同，作为折中

$$\forall i, \quad Var[W^i] = \frac{2}{n_i + n_{i+1}}$$

对于

$$W \sim U[-\frac{1}{\sqrt n},\frac{1}{\sqrt n}] \\ Var(W) = \frac{1}{3n}$$

因此得到初始化权重：

$$W \sim U[-\frac{\sqrt 6}{\sqrt {n_j + n_{j+1}}},\frac{\sqrt 6}{\sqrt {n_j + n_{j+1}}}]$$