神经网络各种初始化方法(normal,uniform,xavier)的numpy实现以及表现对比

本文通过使用Numpy在MNIST数据集上实验了不同的权重初始化方法对多层感知机(MLP)网络的影响,包括zeros、ones、normal、xavier_normal等,并对比了不同激活函数下的网络表现。

Numpy实现

if self.initialization == 'zeros':
    self.W[layer] = np.zeros([out_dim, in_dim])
    self.b[layer] = np.zeros([out_dim])
elif self.initialization == 'ones':
    self.W[layer] = np.ones([out_dim, in_dim])
    self.b[layer] = np.ones([out_dim])
elif self.initialization == 'normal':
    self.W[layer] = np.random.normal(loc=0., scale=1., size=[out_dim, in_dim])
    self.b[layer] = np.random.normal(loc=0., scale=1., size=[out_dim])
elif self.initialization == 'xavier_Glorot_normal':
    self.W[layer] = np.random.normal(loc=0., scale=1., size=[out_dim, in_dim]) / np.sqrt(in_dim)
    self.b[layer] = np.random.normal(loc=0., scale=1., size=[out_dim]) / np.sqrt(in_dim)
elif self.initialization == 'xavier_normal':
    std = np.sqrt(2. / (in_dim + out_dim))
    self.W[layer] = np.random.normal(loc=0., scale=std, size=[out_dim, in_dim])
    self.b[layer] = np.random.normal(loc=0., scale=std, size=[out_dim])
elif self.initialization == 'uniform':
    a = np.sqrt(1. / in_dim)
    self.W[layer] = np.random.uniform(low=-a, high=a, size=[out_dim, in_dim])
    self.b[layer] = np.random.uniform(low=-a, high=a, size=[out_dim])
elif self.initialization == 'xavier_uniform':
    a = np.sqrt(6. / (in_dim + out_dim))
    self.W[layer] = np.random.uniform(low=-a, high=a, size=[out_dim, in_dim])
    self.b[layer] = np.random.uniform(low=-a, high=a, size=[out_dim])
else:
    print("initialization error!")
    exit(1)

表现对比

Mnist数据集 input_feature_dim=784(28*28)

MLP-64-64-softmax网络(自己用numpy搭建的,可能有问题)

SGD优化方法 batch_size=128 max_epoch=100 lr=0.05 

以下数值为test set上的accuracy

需要注意的是:只跑了100个epoch(100*128=12800个shuffled training samples)

 

zeros

ones

normal

xavier_Glorot

xavier_normal

uniform

xavier_uniform

sigmoid

not convergence

not convergence

0.838

0.756

0.623

0.347

0.645

relu

not convergence

not convergence

not convergence

0.895

0.895

0.881

0.896


参考:

神经网络参数初始化 xavier_Glorot

https://blog.youkuaiyun.com/qq_26972735/article/details/81984111

初始化函数 uniform, normal, const, Xavier, He initialization

https://blog.youkuaiyun.com/dss_dssssd/article/details/83959474

常用权重初始化方法Xavier,He initialization的推导

https://xubin.blog.youkuaiyun.com/article/details/107890916

<think>好的,我现在需要帮助用户分析不同初始化策略下神经网络偏置(bias)的统计特征。用户之前提到了对第29层bias的统计特性,现在想扩展到不同的初始化方法。首先,我得回顾一下常见的初始化策略,比如零初始化、常数初始化、随机初始化(正态分布、均匀分布)、Xavier/Glorot初始化、He初始化等。 接下来,我需要考虑每种初始化策略如何影响bias的分布。例如,零初始化会把所有bias设为0,那么统计特征如均值、标准差和最大绝对值都会是0。但用户之前的数据显示均值为接近0,这可能是因为优化器在训练过程中调整了bias,但初始化阶段的影响也很重要。然后,常数初始化,比如设为0.1,这时候均值会是0.1,标准差为0,最大绝对值为0.1。 对于随机初始化,比如正态分布,均值为0,标准差为设定的值,比如0.01,这时候统计特征就会有相应的分布。均匀分布的话,均值也会接近0,标准差根据范围计算。Xavier和He初始化通常用于权重,但如果是bias的话,可能有不同的处理,比如Xavier初始化可能建议bias初始化为0,而He初始化可能和权重的缩放有关。 然后,需要考虑这些初始化方法对训练的影响。比如,零初始化可能导致对称性问题,但可能在某些情况下有效;常数初始化如果设置不当可能导致梯度消失或爆炸;随机初始化可以打破对称性,但需要合适的方差。此外,用户提到引用中的内容,比如CNN通过共享权重减少参数,可能初始化策略对参数数量和分布也有影响。 还需要结合用户提供的引用,特别是引用[3]提到的批量梯度下降和优化器的作用,可能初始化后的bias在训练过程中会被优化器调整,但初始统计特征仍然影响训练动态。例如,如果初始化bias较大,可能影响梯度的传播,进而影响收敛速度。 用户可能希望了解不同初始化策略下bias的统计特征如何,以及这些特征如何影响模型训练和性能。需要确保回答覆盖常见的初始化方法,各自的统计指标(均值、标准差、最大绝对值),并结合实际代码示例说明如何计算这些统计量,如用户之前提供的Python代码。 同时,用户可能对如何选择初始化策略感兴趣,或者当观察到异常统计特征时如何调整。例如,如果某层bias的最大绝对值异常高,可能需要检查初始化方法是否正确,或者考虑使用不同的初始化策略。此外,引用[2]提到CNN的权值共享和直接处理图像的能力,可能初始化策略也需要适应这种结构,比如在卷积层和全连接层使用不同的初始化方法。 最后,要确保回答结构清晰,分点列出不同初始化策略及其统计特征,并结合代码示例和可能的优化方法,帮助用户全面理解。同时,生成的相关问题需要引导用户深入探讨初始化策略的影响和调整方法,以及与其他组件如优化器的互动。</think>### 不同初始化策略下神经网络Bias的统计特征分析 神经网络初始化策略对模型训练动态和最终性能有重要影响。以下针对常见初始化策略,分析其对Bias统计特征(均值、标准差、最大绝对值)的影响规律: --- #### 1. **零初始化 (Zero Initialization)** - **策略描述**:所有Bias初始化为 $b=0$ - **统计特征**: - 均值:严格为 $0$(对称性初始化) - 标准差:严格为 $0$(无分布差异) - 最大绝对值:严格为 $0$ - **适用场景**:常用于浅层网络或线性激活函数,但可能导致梯度对称性问题[^3] --- #### 2. **常数初始化 (Constant Initialization)** - **策略描述**:所有Bias初始化为固定值 $b=c$(例如 $c=0.1$) - **统计特征**: - 均值:严格为 $c$ - 标准差:严格为 $0$ - 最大绝对值:严格为 $|c|$ - **实验现象**:若 $c$ 值过大,可能导致激活值饱和(如Sigmoid函数输出接近边界) --- #### 3. **正态分布初始化 (Normal Initialization)** - **策略描述**:Bias服从 $b \sim \mathcal{N}(\mu, \sigma^2)$ - **统计特征**: - 均值:接近 $\mu$(通常设为 $0$) - 标准差:接近 $\sigma$(例如 $\sigma=0.01$) - 最大绝对值:约 $3\sigma$(依据3σ原则) - **典型应用**:与Xavier/He权重初始化配合使用,通过控制方差保持梯度稳定性[^2] --- #### 4. **均匀分布初始化 (Uniform Initialization)** - **策略描述**:Bias服从 $b \sim U(-a, a)$ - **统计特征**: - 均值:接近 $0$(对称分布) - 标准差:$a/\sqrt{3}$(均匀分布方差公式) - 最大绝对值:严格为 $a$ - **工程实践**:常与权重初始化范围匹配,例如 $a=1/\sqrt{n}$($n$为输入维度) --- #### 5. **Xavier/Glorot初始化** - **策略描述**:专为tanh/sigmoid设计,Bias通常初始化为 $0$ - **统计特征**: - 均值:严格为 $0$ - 标准差:理论推导为 $0$(实际可能因实现细节产生微小扰动) - **优势**:与权重初始化协同工作,保持各层激活值方差一致[^2] --- #### 6. **He初始化** - **策略描述**:专为ReLU族激活函数设计,Bias初始化为 $0$ - **统计特征**: - 均值:严格为 $0$ - 标准差:理论推导为 $0$ - **特殊机制**:通过调整权重初始化方差补偿ReLU的"Dead Zone"特性[^2] --- ### 统计特征分析方法(代码示例) ```python import numpy as np def analyze_initialization(init_func, layer_size=1000): biases = init_func(layer_size) return { "mean": np.mean(biases), "std": np.std(biases), "max_abs": np.max(np.abs(biases)) } # 测试不同初始化策略 print("Zero Init:", analyze_initialization(lambda s: np.zeros(s))) print("Normal Init:", analyze_initialization(lambda s: np.random.normal(0, 0.1, s))) print("Uniform Init:", analyze_initialization(lambda s: np.random.uniform(-0.2, 0.2, s))) ``` --- ### 初始化策略选择建议 1. **激活函数匹配**:ReLU推荐He初始化,tanh推荐Xavier初始化[^2] 2. **层类型适配**:卷积层通常采用零初始化,全连接层配合权重初始化方案 3. **梯度监控**:训练初期观察梯度方差,若出现消失/爆炸需调整初始化范围[^3] 4. **批归一化协同**:使用BatchNorm时,Bias初始化影响减弱,可简化初始化策略 --相关问题-- 1. 如何通过可视化方法观察不同初始化策略对训练过程的影响? 2. Bias初始化与权重初始化之间的耦合关系是怎样的? 3. 在Transformer等新型架构中,Bias初始化策略需要做哪些特殊调整? 4. 如何通过统计特征诊断初始化策略是否合理? [^1]: 初始化策略直接影响网络训练起点,需与激活函数特性匹配 [^2]: 现代初始化方法通过理论推导控制激活值分布 [^3]: 批量梯度下降对初始化参数的敏感性低于随机梯度下降
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