批归一化(Batch Normalization)与层归一化(Layer Normalization)的区别与联系

一、Batch normalization 理论与应用

1. 理论解释

Batch Normalization（批归一化）是一种用于深度学习的优化技术，由Sergey Ioffe和Christian Szegedy在2015年提出。它通过对每一层的输入进行归一化处理，加速训练并提升模型性能。

原理

1. 归一化：

• 对每个小批量数据（mini-batch）的每个特征维度进行归一化，使其均值为0，方差为1。
• 公式为：
  $${\hat{x}}_i=\frac{x_i-{\mu }_B}{\sqrt{{\sigma }_B^2+ϵ}}$$
  其中，$x_i$是输入，${\mu }_B$是均值，${\sigma }_B^2$是方差，$ϵ$是防止除零的小常数。

2. 缩放和平移：

• 归一化后，通过可学习的参数$\gamma$和$\beta$进行缩放和平移，恢复数据的表达能力。
• 公式为：
  $$y_i=\gamma {\hat{x}}_i+\beta$$
  其中，$y_i$是输出，$\gamma$和$\beta$是可学习参数。

作用

1. 加速训练：
   • 归一化后的数据分布更稳定，减少了内部协变量偏移，允许使用更高的学习率，加快收敛。
2. 防止梯度消失/爆炸：
   • 归一化使激活值保持在合理范围内，缓解了梯度消失或爆炸问题。
3. 正则化效果：
   • 由于使用小批量数据的统计量，引入了噪声，起到轻微的正则化作用，减少过拟合。
4. 减少对初始化的依赖：
   • 归一化使网络对参数初始化的敏感性降低，简化了调参过程。

实现

在训练时，计算每个小批量的均值和方差；在测试时，使用训练数据的移动平均均值和方差。
代码示例

import torch
import torch.nn as nn# 定义一个带BatchNorm的层
batch_norm = nn.BatchNorm2d(num_features=64)# 输入数据
input_data = torch.randn(32, 64, 128, 128)# 前向传播
output = batch_norm(input_data)
总结
Batch Normalization通过对每层输入进行归一化，加速训练、防止梯度问题、提供正则化效果，并减少对初始化的依赖，是深度学习中的重要技术。

2. 数值例子

通过一个具体的数值例子来说明 Batch Normalization 的计算过程。

假设我们有一个 mini-batch，包含 3 个样本，每个样本有 2 个特征。数据如下：

$$X=\left[\begin{array}{cc}1& 2\\ 3& 4\\ 5& 6\end{array}\right]$$
其中：

• 每一行是一个样本。
• 每一列是一个特征（例如，特征 1 和特征 2）。

Batch Normalization 的计算步骤

1. 计算每个特征的均值和方差

   Batch Normalization 是对每个特征分别进行归一化的。我们分别计算特征 1 和特征 2 的均值和方差。

• 特征 1（第一列：1, 3, 5）：
  • 均值：$${\mu }_1=\frac{1+3+5}{3}=3$$
  • 方差：$${\sigma }_1^2=\frac{(1-3{)}^2+(3-3{)}^2+(5-3{)}^2}{3}=\frac{4+0+4}{3}=\frac{8}{3}$$
• 特征 2（第二列：2, 4, 6）：
  • 均值：$${\mu }_2=\frac{2+4+6}{3}=4$$
  • 方差：$${\sigma }_2^2=\frac{(2-4{)}^2+(4-4{)}^2+(6-4{)}^2}{3}=\frac{4+0+4}{3}=\frac{8}{3}$$

2. 归一化

使用均值和方差对每个特征进行归一化。归一化公式为：
$${\hat{x}}_i=\frac{x_i-\mu }{\sqrt{{\sigma }^2+ϵ}}$$
假设 $ϵ=0.0001$（一个很小的常数，防止除零）。

• 特征 1 的归一化：
  $${\hat{x}}_1=\frac{1-3}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{-2}{1.633}\approx -1.225$$
  $${\hat{x}}_2=\frac{3-3}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{0}{1.633}\approx 0$$
  $${\hat{x}}_3=\frac{5-3}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{2}{1.633}\approx 1.225$$

• 特征 2 的归一化：
  $${\hat{x}}_1=\frac{2-4}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{-2}{1.633}\approx -1.225$$
  $${\hat{x}}_2=\frac{4-4}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{0}{1.633}\approx 0$$
  $${\hat{x}}_3=\frac{6-4}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{2}{1.633}\approx 1.225$$

归一化后的数据为：

$$\hat{X}=\left[\begin{array}{cc}-1.225& -1.225\\ 0& 0\\ 1.225& 1.225\end{array}\right]$$

3. 缩放和平移

Batch Normalization 还会对归一化后的数据进行缩放和平移，引入可学习的参数 $\gamma$ 和$\beta$。假设 $\gamma =[1,1]$ 和 $\beta =[0,0]$（初始值），则输出为：

$$y_i=\gamma \cdot {\hat{x}}_i+\beta$$

计算后结果与归一化结果相同：

$$Y=\left[\begin{array}{cc}-1.225& -1.225\\ 0& 0\\ 1.225& 1.225\end{array}\right]$$

如果 $\gamma =[2,2]$ 和 $\beta =[1,1]$，则输出为：

$$Y=\left[\begin{array}{cc}-1.225\times 2+1& -1.225\times 2+1\\ 0\times 2+1& 0\times 2+1\\ 1.225\times 2+1& 1.225\times 2+1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-1.45& -1.45\\ 1& 1\\ 3.45& 3.45\end{array}\right]$$

小结

1. 归一化：将数据调整为均值为 0，方差为 1。
2. 缩放和平移：通过 $\gamma$ 和 $\beta$ 恢复数据的表达能力。
3. 最终输出：归一化后的数据经过缩放和平移，得到最终的输出。
   通过这个数值例子，可以清楚地看到 Batch Normalization 的计算过程及其作用。

二、Layer normalization 理论与应用

1. 理论解释

Layer Normalization（层归一化）是另一种归一化技术，由 Jimmy Lei Ba 等人在 2016 年提出。它与 Batch Normalization（批归一化）的目标类似，都是为了加速训练并提高模型性能，但它们的归一化方式和应用场景有所不同。

Layer Normalization 的原理

Layer Normalization 是对单个样本的所有特征进行归一化，而不是像 Batch Normalization 那样对整个 mini-batch 的每个特征进行归一化。具体步骤如下：

1. 计算均值和方差：

• 对于每个样本，计算其所有特征的均值和方差。
• 假设输入为 $(x=[x_1,x_2,\dots ,x_d]$（$d$是特征维度），则：
  $$\mu =\frac{1}{d}\sum _{i=1}^d{x}_i$$
  $${\sigma }^2=\frac{1}{d}\sum _{i=1}^d(x_i-\mu {)}^2$$

2. 归一化：

• 使用均值和方差对每个特征进行归一化：
  $${\hat{x}}_i=\frac{x_i-\mu }{\sqrt{{\sigma }^2+ϵ}}$$
  其中，$ϵ$ 是一个很小的常数，用于防止除零。

3. 缩放和平移：

• 引入可学习的参数$\gamma$ 和 $\beta$，对归一化后的数据进行缩放和平移：
  $$y_i=\gamma {\hat{x}}_i+\beta$$

Layer Normalization 的特点

1. 对单个样本操作：
   • Layer Normalization 是对每个样本的所有特征进行归一化，而不是对整个 mini-batch 的每个特征进行归一化。
2. 适用于变长数据：
   • 由于不依赖于 mini-batch 的大小，Layer Normalization 更适合处理变长数据（如 NLP 中的序列数据）。
3. 对 mini-batch 大小不敏感：
   • Layer Normalization 的性能不受 mini-batch 大小的影响，即使 batch size 为 1 也能正常工作。

2. 数值例子

通过一个包含多个样本的例子来详细说明 Layer Normalization 的计算过程。

假设我们有一个 mini-batch，包含 2 个样本，每个样本有 3 个特征。数据如下：

$$X=\left[\begin{array}{ccc}2& 4& 6\\ 1& 3& 5\end{array}\right]$$

其中：

• 每一行是一个样本。
• 每一列是一个特征（例如，特征 1、特征 2 和特征 3）。

Layer Normalization 的计算步骤

Layer Normalization 是对每个样本的所有特征进行归一化。因此，我们需要分别对每个样本计算均值和方差，然后进行归一化。

1. 对第一个样本[2, 4, 6]的计算

   • 计算均值和方差：

     • 均值：
       $${\mu }_1=\frac{2+4+6}{3}=4$$
     • 方差：
       $${\sigma }_1^2=\frac{(2-4{)}^2+(4-4{)}^2+(6-4{)}^2}{3}=\frac{4+0+4}{3}=\frac{8}{3}$$

   • 归一化：
     使用公式：
     $${\hat{x}}_i=\frac{x_i-\mu }{\sqrt{{\sigma }^2+ϵ}}$$
     假设$ϵ=0.0001$。

   • 特征 1：

   $${\hat{x}}_1=\frac{2-4}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{-2}{1.633}\approx -1.225$$

   • 特征 2：
     $${\hat{x}}_2=\frac{4-4}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{0}{1.633}\approx 0$$
   • 特征 3：
     $${\hat{x}}_3=\frac{6-4}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{2}{1.633}\approx 1.225$$

   归一化后的第一个样本：
   $${\hat{x}}_1=[-1.225,0,1.225]$$

2. 对第二个样本[1, 3, 5]的计算

   • 计算均值和方差：

     • 均值：
       $${\mu }_2=\frac{1+3+5}{3}=3$$
     • 方差：
       $${\sigma }_2^2=\frac{(1-3{)}^2+(3-3{)}^2+(5-3{)}^2}{3}=\frac{4+0+4}{3}=\frac{8}{3}$$

   • 归一化：

   使用公式：

   $${\hat{x}}_i=\frac{x_i-\mu }{\sqrt{{\sigma }^2+ϵ}}$$

   • 特征 1：
     $${\hat{x}}_1=\frac{1-3}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{-2}{1.633}\approx -1.225$$

   • 特征 2：
     $${\hat{x}}_2=\frac{3-3}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{0}{1.633}\approx 0$$

   • 特征 3：
     $${\hat{x}}_3=\frac{5-3}{\sqrt{\frac{8}{3}+0.0001}}\approx \frac{2}{1.633}\approx 1.225$$

     归一化后的第二个样本：
     $${\hat{x}}_2=[-1.225,0,1.225]$$

3. 归一化后的结果

   将所有样本的归一化结果组合起来：
   $$\hat{X}=\left[\begin{array}{ccc}-1.225& 0& 1.225\\ -1.225& 0& 1.225\end{array}\right]$$

4. 缩放和平移
   Layer Normalization 还会对归一化后的数据进行缩放和平移，引入可学习的参数 $\gamma$ 和 $\beta$。假设 $\gamma =[1,1,1]$ 和 $\beta =[0,0,0]$（初始值），则输出为：

   $$y_i=\gamma \cdot {\hat{x}}_i+\beta$$

   计算结果与归一化结果相同：

   $$Y=\left[\begin{array}{ccc}-1.225& 0& 1.225\\ -1.225& 0& 1.225\end{array}\right]$$

   如果 $\gamma =[2,2,2]$ 和 $\beta =[1,1,1]$，则输出为：

   $$Y=\left[\begin{array}{ccc}-1.225\times 2+1& 0\times 2+1& 1.225\times 2+1\\ -1.225\times 2+1& 0\times 2+1& 1.225\times 2+1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-1.45& 1& 3.45\\ -1.45& 1& 3.45\end{array}\right]$$

---

小结

1. Layer Normalization 是对每个样本的所有特征进行归一化。
2. 计算步骤包括：
   • 计算每个样本的均值和方差。
   • 归一化。
   • 缩放和平移。
3. 与 Batch Normalization 不同，Layer Normalization 不依赖于 mini-batch，适合处理变长数据（如 NLP 中的序列数据）。

通过这个包含多个样本的例子，可以清楚地看到 Layer Normalization 的计算过程及其作用。

三、Layer Normalization 和 Batch Normalization 的区别

代码示例

以下是 PyTorch 中 Layer Normalization 的实现示例：

import torch
import torch.nn as nn# 定义一个 LayerNorm 层
layer_norm = nn.LayerNorm(normalized_shape=64)  # normalized_shape 是特征维度# 输入数据 (batch_size, sequence_length, feature_dim)
input_data = torch.randn(32, 10, 64)  # 假设 batch_size=32, sequence_length=10, feature_dim=64# 前向传播
output = layer_norm(input_data)

总结

1. Layer Normalization 是对单个样本的所有特征进行归一化，适用于变长数据（如 NLP 中的序列数据）。
2. Batch Normalization 是对 mini-batch 中每个特征进行归一化，适合固定长度的数据（如图像）。
3. 两者的主要区别在于归一化的维度和对 mini-batch 的依赖程度。选择哪种归一化方法取决于具体任务和数据特性。

四、《Transformers without Normalization》笔记

paper：https://arxiv.org/pdf/2503.10622

文章的核心思想是tanh代替了归一化层，这是因为作者做实验发现LN的输入输出曲线，很像tanh函数的“S”型曲线：

tanh(x) 函数可视化：

$${\sim }_{Onepersongofaster,agroupofpeoplecangofurther}\sim$$