动手学深度学习读书笔记-数值稳定性和模型初始化

博客围绕深度模型的数值稳定性和模型初始化展开。指出层数较多时,模型易出现衰减和爆炸问题。介绍随机初始化模型参数的重要性,还阐述了MXNet默认随机初始化和Xavier随机初始化方法。最后探讨线性回归和softmax回归权重参数初始化为相同值的可行性。

数值稳定性和模型初始化

  • 深度模型有关数值稳定性的典型问题是衰减(vanishing)和爆炸(explosion)。

衰减和爆炸

当神经网络的层数较多时,模型的数值稳定性容易变差。假设一个层数为LLL的多层感知机的第lllH(l)\boldsymbol{H}^{(l)}H(l)的权重参数为W(l)\boldsymbol{W}^{(l)}W(l),输出层H(L)\boldsymbol{H}^{(L)}H(L)的权重参数为W(L)\boldsymbol{W}^{(L)}W(L)。为了便于讨论,不考虑偏差参数,且设所有隐藏层的激活函数为恒等映射(identity mapping)ϕ(x)=x\phi(x) = xϕ(x)=x。给定输入X\boldsymbol{X}X,多层感知机的第lll层的输出H(l)=XW(1)W(2)…W(l)\boldsymbol{H}^{(l)} = \boldsymbol{X} \boldsymbol{W}^{(1)} \boldsymbol{W}^{(2)} \ldots \boldsymbol{W}^{(l)}H(l)=XW(1)W(2)W(l)。此时,如果层数lll较大,H(l)\boldsymbol{H}^{(l)}H(l)的计算可能会出现衰减或爆炸。举个例子,假设输入和所有层的权重参数都是标量,如权重参数为0.2和5,多层感知机的第30层输出为输入X\boldsymbol{X}X分别与0.230≈1×10−210.2^{30} \approx 1 \times 10^{-21}0.2301×1021(衰减)和530≈9×10205^{30} \approx 9 \times 10^{20}5309×1020(爆炸)的乘积。类似地,当层数较多时,梯度的计算也更容易出现衰减或爆炸。

随机初始化模型参数

假设输出层只保留一个输出单元o1o_1o1(删去o2o_2o2o3o_3o3以及指向它们的箭头),且隐藏层使用相同的激活函数。
如果将每个隐藏单元的参数都初始化为相等的值,那么在正向传播时每个隐藏单元将根据相同的输入计算出相同的值,并传递至输出层。在反向传播中,每个隐藏单元的参数梯度值相等。
因此,这些参数在使用基于梯度的优化算法迭代后值依然相等。之后的迭代也是如此。在这种情况下,无论隐藏单元有多少,隐藏层本质上只有1个隐藏单元在发挥作用

MXNet的默认随机初始化

如果不指定初始化方法,如net.initialize(),MXNet将使用默认的随机初始化方法:权重参数每个元素随机采样于-0.07到0.07之间的均匀分布,偏差参数全部清零。

Xavier随机初始化

假设某全连接层的输入个数为aaa,输出个数为bbb,Xavier随机初始化将使该层中权重参数的每个元素都随机采样于均匀分布
U(−6a+b,6a+b).U\left(-\sqrt{\frac{6}{a+b}}, \sqrt{\frac{6}{a+b}}\right).U(a+b6,a+b6).
它的设计主要考虑到,模型参数初始化后,每层输出的方差不该受该层输入个数影响,且每层梯度的方差也不该受该层输出个数影响。

练习

  • 是否可以将线性回归或softmax回归中所有的权重参数都初始化为相同值?
    线性回归不可以,因为只有一个输出单元;softmax可以,因为有多个输出单元,这样每个输出单元对应的loss不同,反向传播时得到的梯度也不同,就能够成功训练下去。
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