基于批量标准化(Batch Normalization)的梯度求解

问题来源:cs231n [Assigment 2 - Batch Normalization]
什么是批量标准化,本篇不再去阐述,这里推荐一篇笔者觉得讲的很详细的博客:https://blog.csdn.net/qq_41853758/article/details/82930944
在实际操作中,通过批量标准化,可以极大的提高神经网络的准确率训练速度,是提升自己模型的一个重要方法。本篇将对批量标准化进行推导,求得反向传播梯度。

批量标准化公式:\hat{x}=(x-\mu)\left(\sigma^{2}+\epsilon\right)^{-1 / 2} \tag{1} \label{eq1}

其中\epsilon的作用是防止分母为0。
输出:y=\gamma \hat{x}+\beta \tag{2}
\gamma\beta都是传入的参数,可以调节输出范围。当\gamma=\left(\sigma^{2}+\epsilon\right)^{1 / 2},\beta=\mu时,就可以将\hat{x}还原为x
为了推导的准确性,这里给出更严谨的表达式:\hat{x_{k l}}=\left(x_{k l}-\mu_{l}\right)\left(\sigma_{l}^{2}+\epsilon\right)^{-1 / 2}
其中:\begin{array}{c}{\mu_{l}= \frac{1}{N} \sum_{p} x_{p l}} , {\sigma_{l}^{2}=\frac{1}{N} \sum_{p}\left(x_{p l}-\mu_{l}\right)^{2}} \end{array},k=1...N,l=1,...,H
这里以上是前向传播的过程,比较难以理解的是反向传播过程
即求\frac{d \mathcal{L}}{d \gamma}, \frac{d \mathcal{L}}{d \beta}, \frac{d \mathcal{L}}{d x},我们先尝试着来求第三项
\frac{d \mathcal{L}}{d x} = \left(\begin{array}{ccc} {\frac{d \mathcal{L}}{d x_{11}}} & {\cdots} & {\frac{d \mathcal{L}}{d x_{1 H}}} \\ {\cdots} & {\frac{d \mathcal{L}}{d x_{k l}}} & {\cdots} \\ {\frac{d \mathcal{L}}{d x_{N 1}}} & {\cdots} & {\frac{d \mathcal{L}}{d x_{N H}}} \end{array}\right)
由公式可知,无法直接求解,而是需要进行链式求导\frac{d \mathcal{L}}{d x_{i j}}=\sum_{k, l} \frac{d \mathcal{L}}{d y_{k l}} \frac{d y_{k l}}{d \hat{x}_{k l}} \frac{d \hat{x}_{k l}}{d x_{i j}} \tag{3}
这里,我们假设\frac{d \mathcal{L}}{d y_{k l}}已知,来求后面两项
由(2)式可以很容易出第二项为\gamma_{l},比较复杂的是第三项。
为了简化过程,我们将\hat{x_{k l}}的分子分母单独拿出来求导,然后进行整合。
\hat{x}_{k l}=\left(x_{k l}-\mu_{l}\right),则可以求得\frac{d \hat{x}_{k l}}{d x_{i j}}=\delta_{i, k} \delta_{j, l}-\frac{1}{N} \delta_{j, l}其中\delta_{i, k}的含义为,当i=k时,\delta取值为1。这个好理解,矩阵中转化过去的元素\hat{x}_{i j}只有对{x}_{i j}求导的时候才不为0,第二项根据均值的公式可以得出。
现在来求分母的导数,令\hat{x}_{{k}l}=\left(\sigma_{l}^{2}+\epsilon\right)^{-1 / 2},则\frac{d \hat{x}_{k l}}{d x_{i j}}=-\frac{1}{2} \frac{d \sigma_{l}^{2}}{d x_{i j}}(\sigma_{l}^{2}+\epsilon)^{-3 / 2}
进一步求导:\begin{aligned} \frac{d \sigma_{l}^{2}}{d x_{i j}} &=\frac{1}{N} \sum_{p} 2\left(\delta_{i p} \delta_{j l}-\frac{1}{N} \delta_{j l}\right)\left(x_{p l}-\mu_{l}\right) \\ &=\frac{2}{N}\left(x_{i l}-\mu_{l}\right) \delta_{j l}-\frac{2}{N^{2}} \sum_{p} \delta_{j l}\left(x_{p l}-\mu_{l}\right) \\ &=\frac{2}{N}\left(x_{i l}-\mu_{l}\right) \delta_{j l}-\frac{2}{N} \delta_{j l}\left(\frac{1}{N} \sum_{p} x_{p l}-\mu_{l}\right) \\ &=\frac{2}{N}\left(x_{i l}-\mu_{l}\right) \delta_{j l} \end{aligned}

最难的求导部分已经完成,剩下的就是整合了,整合的步骤这里省略,只给出结果。
\hat{x_{k l}}=\left(x_{k l}-\mu_{l}\right)\left(\sigma_{l}^{2}+\epsilon\right)^{-1 / 2},可得:
\frac{d \hat{x}_{k l}}{d x_{i j}}= \left(\delta_{i k} \delta_{j l}-\frac{1}{N} \delta_{j l}\right)\left(\sigma_{l}^{2}+\epsilon\right)^{-1 / 2}-\frac{1}{N}\left(x_{k l}-\mu_{l}\right)\left(x_{i l}-\mu_{l}\right) \delta_{j l}\left(\sigma_{l}^{2}+\epsilon\right)^{-3 / 2 \tag{4}}
(4)带入(3)结合第二项为\gamma_{l},整理求得:\frac{d \mathcal{L}}{d x_{i j}}=\frac{1}{N} \gamma_{j}\left(\sigma_{j}^{2}+\epsilon\right)^{-1 / 2}\left(N \frac{d \mathcal{L}}{d y_{i j}}-\sum_{k} \frac{d \mathcal{L}}{d y_{k j}}-\left(x_{i j}-\mu_{j}\right)\left(\sigma_{j}^{2}+\epsilon\right)^{-1} \sum_{k} \frac{d \mathcal{L}}{d y_{k j}}\left(x_{k j}-\mu_{j}\right)\right)
\frac{d \mathcal{L}}{d \beta}, \frac{d \mathcal{L}}{d \gamma}求解的过程更加简单,这里给出结果
\begin{aligned} \frac{d \mathcal{L}}{d y_{j}} &=\sum_{k l} \frac{d \mathcal{L}}{d y_{k l}} \frac{d y_{k l}}{d \gamma_{j}} \\ &=\sum_{k l} \frac{d \mathcal{L}}{d y_{k l}} \hat{x}_{k l} \delta_{l j} \\ &=\sum_{k} \frac{d \mathcal{L}}{d y_{k j}}\left(x_{k j}-\mu_{j}\right)\left(\sigma_{j}^{2}+\epsilon\right)^{-1 / 2} \end{aligned}
\begin{aligned} \frac{d \mathcal{L}}{d \beta_{j}} & = \sum_{k l} \frac{d \mathcal{L}}{d y_{k l}} \frac{d y_{k l}}{d \beta_{j}} \\ &=\sum_{k l} \frac{d \mathcal{L}}{d y_{k l}} \delta_{l j} \\ &=\sum_{k} \frac{d \mathcal{L}}{d y_{k j}} \end{aligned}

参考博客:http://cthorey.github.io./backpropagation/

总结

这三篇神经网络部分的知识大部分是自己以前没有去深入了解的,为了不让自己成为一个“调包侠”,理解这种底层的数学知识非常重要。日后如果还又类似的问题,会再发上来。

下篇预告:python爬虫获取电影排行榜

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