【BN层的作用】论文阅读 | How Does Batch Normalization Help Optimization?

前言：15年Google提出Batch Normalization，成为深度学习最成功的设计之一，18年MIT团队将原论文中提出的BN层的作用进行了一一反驳，重新揭示BN层的意义
2015年Google团队论文：【here】
2018年MIT团队论文：【here】

How Does Batch Normalization Help Optimization?

原文观点

15年那篇论文里提出BN对网络起的作用是，减少了中间协变量偏移的影响 Internal Covariate Shift（ICS）。神经网络每一层在更新了权重之后的输出的分布是变化的，因此中间协变量也会有变化，通过将线性映射之后的输出“白化”，即控制均值为0，和方差恒为1，可以有效的将每一层网络学习的输入控制在一个相同的分布下，因此更有利于网络的学习。

反驳论点

这篇论文首先对原文引出的概念提出了两点质疑

第一，BN层的成功真的在于减少了中间协变量偏移吗？

Does BatchNorm’s performance stem from controlling internal covariate shift?

作者这里为了证明BN层的成功不在于减少了ICS，设计了三组参照实验，第一组不加BN，第二组加BN，第三组加了BN层之后又加上一个随机白噪声，有着不同的均值和方差，作者旨在通过第三组实验，模拟加了BN层但是ICS更高的场景

这三组实验在VGG的网络上的表现如下

可以看到，加了BN层但是ICS更高的第三组实验比，标准实验（不加BN）取得更好的训练效果，中间变量均值偏移和方差偏移的可视化如下，可以看到：“噪声”网络比标准网络的ICS更高

因此，这组实验可以证明，BN层可以帮助网络的训练，但并不在于ICS的减少，即不在于每一层的分布保持一致

作者紧接着提出了第二个质疑，即BN层的添加是否有减少ICS呢？即有没有一个更广泛的中间协变量偏移的概念（而不是均值方差的偏移），来证明与BN层网络的关系

第二，BatchNorm真的能减少ICS吗

Is BatchNorm reducing internal covariate shift?

本文作者认为，参数更新会导致这个损失函数最小化问题本身改变，这和原论文的作者直觉一致，但原论文作者从结果的分布来捕捉这样的现象，这没有触及到问题的本质。如果要挖掘这样的优化问题的本质，应该从优化参数的梯度去入手，因此提出了一种新的方式定义ICS，即用更新前和更新后的每一层参数的梯度的二范数来表示偏移。因此，梯度变化可以代表在每一次参数更新后，在这一层的损失图上的一个跨越

大概类似于这样的损失图上，如果ICS很大，在每一层的optimize landsacpe上的位置跨越就很大，导致梯度的变化很大

而结果也是令人震惊，加了BN层的ICS反而更大了，如下图右边
在学习率很大的时候，梯度的变化都是震荡得比较剧烈的，在学习率比较小的时候，不加BN的标准网络的梯度变化非常小（体现在接近1的余弦角度和很小的l2距离）

（这里我的理解是，由于不加BN的优化landscape不够光滑，如果梯度变化过大会导致掉到局部最优或者是进入平坦区域）BN使优化landscape变光滑了，每一次调整的梯度变大，因此也很快收敛

BN为什么工作

作者给出直接的观点，加了BN重新调整了网络的训练参数，使优化的landscape变得光滑

由于没法进行全局的landscape的可视化，作者通过几个参数来代表优化landscape的光滑程度
损失函数的变化
梯度的变化
β平滑度

在VGG和DNN中加了BN都有改善

同时，作者还发现，BN不是唯一可以进行平滑optimization landscape的方式，再进行了不同正则化之后，网络的损失和梯度也能实现平滑

理论分析

作者还给出了BN为什么能实现平滑optimization landsacpe的公式推导

总结

很早期的标杆性论文，对理解BN层的作用很有帮助