深度学习：批归一化

批归一化

通过批归一化，可以让超参数的搜索变得简单一些。在施加了批归一化后，神经网络对于超参数的敏感度会降低，具有更强的鲁棒性。

批归一化将每层传输给激励函数的值都进行归一化，相当于把每层隐藏层都看作单独的神经网络，将输入数据进行归一化，降低了网络之间的耦合。

跟对输入数据的归一化相似，批量归一化做的工作也差不多，不过归一化的对象变成了神经网络中传入激活函数的值$z^{[l](i)}$，简单来说就是我们求出
$$\begin{gathered} {\mu }^{[l]}=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{z}^{[l](i)} \\ {\sigma }^{2[l]}=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m(z^{[l](i)}-{\mu }^{[l]}{)}^2 \end{gathered}$$然后把$z^{[l](i)}$化为均值为0，方差为1的数据：
$$z_{\text{norm}}^{[l](i)}=\frac{z^{[l](i)}-{\mu }^{[l]}}{\sqrt{{\sigma }^{2[l]}+\epsilon }}$$
不过有些时候，我们希望自己定义$z^{[l](i)}$的均值与方差，可以通过两个参数$\gamma$与$\beta$（又是$\beta$）来控制，即令
$${\tilde{z}}^{[l](i)}={\gamma }^{[l]}{z}_{\text{norm}}^{[l](i)}+{\beta }^{[l]}$$来将$z^{[l](i)}$调整到需要的分布。

其中${\gamma }^{[l]}$和${\beta }^{[l]}$不需要手动设置，它们可以作为普通参数在收敛过程中直接学习。同时，因为在归一化的时候，所有$z^{[l](i)}$的平均值都会被调整为0，所以参数$b^{[l]}$就不需要了，我们只保留$W^{[l]},{\gamma }^{[l]}$与${\beta }^{[l]}$。

所以，在向前传播时，我们的计算过程为
$$\begin{array}{rl}& Z^{[l]}=W^{[l]}{A}^{[l-1]}\\ & {\mu }^{[l]}=\frac{1}{m}np.sum(Z^{[l]},axis=1,keepdims=True)\\ & {\sigma }^2=\frac{1}{m}np.sum((Z^{[l]}-{\mu }^{[l]}{)}^2,axis=1,keepdims=True)\\ & Z_{\text{norm}}^{[l]}=\frac{Z^{[l]}-{\mu }^{[l]}}{\sqrt{{\sigma }^{2[l]}+\epsilon }}\\ & {\tilde{Z}}^{[l]}={\gamma }^{[l]}\ast Z_{\text{norm}}^{[l]}+{\beta }^{[l]}\\ & A^{[l]}=g^{[l]}({\tilde{Z}}^{[l]})\end{array}$$
向后传播计算过程为
$$\begin{array}{rl}& d{\tilde{Z}}^{[l]}=d{A}^{[l]}\ast g^{[l{]}^{\prime }}({\tilde{Z}}^{[l]})\\ & d{Z}_{\text{norm}}^{[l]}=d{\tilde{Z}}^{[l]}\ast {\gamma }^{[l]}\\ & d{\beta }^{[l]}=\frac{1}{m}np.sum(d{\tilde{Z}}^{[l]},axis=1,keepdims=True)\\ & d{\gamma }^{[l]}=\frac{1}{m}np.sum(d{\tilde{Z}}^{[l]}\ast Z_{\text{norm}}^{[l]},axis=1,keepdims=True)\\ & d{\sigma }^{2[l]}=\frac{1}{m}np.sum(d{Z}_{\text{norm}}^{[l]}\ast (Z^{[l]}-{\mu }^{[l]})(\frac{-({\sigma }^{2[l]}+\epsilon {)}^{-\frac{3}{2}}}{2}),axis=1,keepdims=True)\\ & d{\mu }^{[l]}=\frac{1}{m}np.sum(d{Z}_{\text{norm}}^{[l]}\ast \frac{-1}{\sqrt{{\sigma }^{2[l]}+\epsilon }},axis=1,keepdims=True)+d{\sigma }^{2[l]}\frac{1}{m}np.sum(-2(Z^{[l]}-{\mu }^{[l]}),axis=1,keepdims=True)\\ & d{Z}^{[l]}=\frac{1}{\sqrt{{\sigma }^{2[l]}+\epsilon }}\ast d{Z}_{\text{norm}}^{[l]}+\frac{2(Z^{[l]}-{\mu }^{[l]})}{m}\ast d{\sigma }^{2[l]}+\frac{1}{m}d{\mu }^{[l]}\\ & d{W}^{[l]}=\frac{1}{m}d{Z}^{[l]}{A}^{[l-1]T}\end{array}$$

测试时，因为可能只有单组数据，我们无法直接求出$\mu$和${\sigma }^2$。因此在测试集中使用BN算法时，我们会利用训练集里的$\mu$和${\sigma }^2$的指数加权平均来作为估计值对测试数据进行批归一化。一般使用的深度学习框架还会提供类似的工具来估算均值和方差，事实上只要是合理的估算，BN算法在测试集上的鲁棒性是很强的。