Batch Normalization和Layer Normalization

normalization的作用

通过把隐层的输入变换到一个均值为0，方差为1的分布上，保证每层的输入分布不会因为不同的mini batch的分布不同而造成过大的抖动。避免了网络参数需要适应不同分布的输入，同时可以避免激活函数的输入分布到非激活区的两端。

1. 加快网络收敛，提高训练速度
2. 避免过拟合。(BN把一个batch中的样本关联起来，模型不会单独去适配一个样本的结果，从而避免过拟合。)

Batch Normalization

1. BN的参数计算是以一个mini batch为组的，每一层的输出$Z= R^{batch\_size,hidden\_size}$在进激活函数之前，针对每一个神经元，即每一个输出$Z_i = R^{batch\_size,1}$做统计归一。统计指标为每个batch的输出的一个维度的均值和方差，对应的会有两个hidden_size维的向量:
   $$\mu_{ Z_i} = \frac{1}{batch\_size} \sum\limits^{batch\_size}_{j=1} Z_{i,j} $$

   $$\sigma_{Z_i}=\sqrt{\frac{1}{batch\_size}\sum\limits_{j=1}^{batch\_size}(\mu_{Z_i} - Z_i)^2} $$

2. BN的更新
   BN得到两个参数向量后会对该层的输出$Z$做变换，即更新该层的输出到一个合理的分布上。更新分两步，1. 变换到一个均值为0方差为1的分布上(针对的是每一维度)。2. 再做一次平移和缩放操作，这一步是通过一个线性变换得到的，平移参数可学习。两步更新后再过激活函数。
   $$ Z'_i = \frac {Z_i - \mu_{Z_i}}{\sigma_{Z_i}} $$

   $$ Z''_i = gZ'_i+b $$

3. BN特点:

   • 所有的操作都是在一个维度上进行的，参数的计算依赖于batch_size
   • 倾向于认为同一位置的特征的同一维度的信息应该具有相同的分布，也可以认为同一位置的特征具有相同分布。
   • 因为参数和batch_size相关，batch_size太小会带来分布和整体不一致的问题。故train的batch_size不适宜太小，且需尽量打散，以保证分布和整体接近。
   • 在infer阶段和train阶段会有不一样的策略。infer阶段往往只有一个样本，再去求参数，明显不可行，所以一般会在train阶段迭代的更新$\mu和\sigma$参数，以估计所有训练样本的参数，且存下来，作为infer阶段使用的参数。

Layer Normalization

1. LN的计算是在单个样本级别上做的normlize。对每一层的输出$Z= R^{batch\_size,hidden\_size}$ 在激活之前，针对每一个样本$Z_j = R^{1,hidden_size}$求参数$\mu 和\sigma$，求取方式和BN类似，只是方向不同。最终batch_size个样本得到batch_size组参数。
2. LN的更新，依据每个样本的参数逐个更新各个样本的每一维度。然后做同样的缩放和平移。平移参数和缩放参数可学习。

3. LN特点:

   1. 所有的操作都是在单个样本上计算的，所以不依赖于batch_size，所以不用存储$\mu和\sigma$参数到infer阶段。train和infer一致。
   2. 倾向于认为一个样本内部的所有feature是相似的，可以直接在样本内各个维度上norm。这一假设在nlp任务中比较得到明显。一个句子的各个特征就是各个字词处理后得到的，基本是相似的。但假如输入特征是类似年龄，性别，身高这种多个不同特征concat起来的，再直接求样本内部的norm，由于各个feature的分布不一样，就会存在很大的问题。

对比

1. BN不太适合NLP任务中的不定长类任务。

   1. 不定长的样本，在靠后位置的有效样本会变少，相当于变相的batch_size在变小。
   2. 在RNN类的循环网络中，越往后相当于样本越长，有效样本越少，BN效果会变差。
   3. 在infer阶段如果一个很长的样本在train阶段没有见过，则会找不到对应的参数。

2. LN比较适合NLP任务

   1. 变长样本处理起来无问题。
   2. 一个样本的各个特征一般是比较相似的，如一个句子的特征是各个字，concat后，各个维度的分布也是一致的。
   3. 在TF,pytoch等的实现中，LN一般是针对最内层的向量内部做norm参数。如[batch_size,seq_len,hidden_size]这样的一个输出，在LN时，是针对最内层的hidden_size个神经元求参，更是不会和padding的feature起冲突。而BN相当于在一个[batch_size*seq_len,hidden_size]的矩阵上做BN，这时求均值方差时会把padding的样本也算进去。
3. LN和BN都需要两步变换，第一步变换得到一个$\mu=0 且\sigma=1$的分布,这一步目的把神经元的输出变换到一个比较均衡的分布上，达到参数稳定的目的。第二部通过两个可学系参数(tf中的$\gamma和\beta $)做缩放和平移，以期恢复原数据的表达的能力。