用神經(jīng)網(wǎng)絡的小伙伴都知道，數(shù)據(jù)需要做歸一化，但是為什么要做歸一化，這個問題一直模梭兩可，網(wǎng)上也沒有較全的回答，小編花費了一段時間，作了一些研究，給大家仔細分析分析，為什么要做歸一化：

1.數(shù)值問題。

       無容置疑，歸一化的確可以避免一些不必要的數(shù)值問題。輸入變量的數(shù)量級未致于會引起數(shù)值問題吧，但其實要引起也并不是那么困難。因為tansig的非線性區(qū)間大約在[-1.7，1.7]。意味著要使神經(jīng)元有效，tansig( w1*x1 w2*x2 b) 里的 w1*x1 w2*x2 b 數(shù)量級應該在 1 （1.7所在的數(shù)量級）左右。這時輸入較大，就意味著權(quán)值必須較小，一個較大，一個較小，兩者相乘，就引起數(shù)值問題了。

       假如你的輸入是421，你也許認為，這并不是一個太大的數(shù)，但因為有效權(quán)值大概會在1/421左右，例如0.00243，那么，在matlab里輸入  421*0.00243 == 0.421*2.43

可以看到兩者不相等了，說明已經(jīng)引起數(shù)值問題了。

2.求解需要

       我們建立了神經(jīng)網(wǎng)絡模型后，只要找到的解足夠好，我們的網(wǎng)絡就能夠正確的預測了。在訓練前我們將數(shù)據(jù)歸一化，說明數(shù)據(jù)歸是為了更方便的求解。

那么，究竟給求解帶來了什么方便呢？

         這個問題不能一概而論，不同的算法，在歸一化中得到的好處各不相同。假若有一個很牛B的求解算法，那完全用不著歸一化，不過目前大部算法，都比較需要歸一化，特別是常用的梯度下降法（或梯度下降的衍生方法），歸一化和不歸一化，對梯度下降法的影響非常大。不同的算法，對歸一化的依賴程序不同，例如列文伯格-馬跨特算法（matlab工具箱的trainlm法）對歸一化的依賴就沒有梯度下降法（matlab里的traingd）那么強烈。

         既然不同的算法對歸一化有不同的理由，篇幅有限，本文就僅以梯度下降法舉例。

        重溫一下梯度法，梯度法一般初始化一個初始解，然后求梯度，再用新解=舊解-梯度*學習率 的方式來迭代更新解。直到滿足終止迭代條件，退出循環(huán)。

先看歸一化對初始化的好處：

（1）初始化

        過初始化的同學會發(fā)現(xiàn)，輸入數(shù)據(jù)的范圍會影響我們初始化的效果。例如，某個神經(jīng)元的值為tansig(w1*x1 w2*x2 b)，由于tansig函數(shù)只有在[-1.7，1.7]的范圍才有較好的非線性，所以w1*x1 w2*x2 b的取值范圍就要與 [-1.7，1.7]有交集（實際上需要更細膩的條件），這個神經(jīng)元才能利用到非線性部分。

        我們希望初始化的時候，就把每個神經(jīng)元初始化成有效的狀態(tài)，所以，需要知道w1*x1 w2*x2 b的取值范圍，也就需要知道輸入輸出數(shù)據(jù)的范圍。

        輸入數(shù)據(jù)的范圍對初始化的影響是無法避免的，一般討論初始化方法時，我們都假設它的范圍就是[0，1]或者[-1，1]，這樣討論起來會方便很多。就這樣，若果數(shù)據(jù)已經(jīng)歸一化的話，能給初始化模塊帶來更簡便，清晰的處理思路。

       注：matlab工具箱在初始化權(quán)值閾值的時候，會考慮數(shù)據(jù)的范圍，所以，即使你的數(shù)據(jù)沒歸一化，也不會影響matlab工具箱的初始化

（2）梯度

        以輸入-隱層-輸出這樣的三層BP為例，我們知道對于輸入-隱層權(quán)值的梯度有2e*w*(1-a^2)*x的形式（e是誤差，w是隱層到輸出層的權(quán)重，a是隱層神經(jīng)元的值，x是輸入），若果輸出層的數(shù)量級很大，會引起e的數(shù)量級很大，同理，w為了將隱層（數(shù)量級為1）映身到輸出層，w也會很大，再加上x也很大的話，從梯度公式可以看出，三者相乘，梯度就非常大了。這時會給梯度的更新帶來數(shù)值問題。

（3）學習率

         由（2）中，知道梯度非常大，學習率就必須非常小，因此，學習率（學習率初始值）的選擇需要參考輸入的范圍，不如直接將數(shù)據(jù)歸一化，這樣學習率就不必再根據(jù)數(shù)據(jù)范圍作調(diào)整。

         隱層到輸出層的權(quán)值梯度可以寫成 2e*a，而輸入層到隱層的權(quán)值梯度為 2e *w*(1-a^2)*x ，受 x 和 w 的影響，各個梯度的數(shù)量級不相同，因此，它們需要的學習率數(shù)量級也就不相同。對w1適合的學習率，可能相對于w2來說會太小，若果使用適合w1的學習率，會導致在w2方向上步進非常慢，會消耗非常多的時間，而使用適合w2的學習率，對w1來說又太大，搜索不到適合w1的解。

          如果使用固定學習率，而數(shù)據(jù)沒歸一化，則后果可想而知。

         不過，若果像matlab工具箱一樣，使用自適應學習率，學習率的問題會稍稍得到一些緩和。

（4）搜索軌跡

         前面已說過，輸入范圍不同，對應的 w 的有效范圍就不同。假設 w1 的范圍在 [-10，10]，而w2的范圍在[-100，100]，梯度每次都前進1單位，那么在w1方向上每次相當于前進了 1/20，而在w2上只相當于 1/200！某種意義上來說，在w2上前進的步長更小一些,而w1在搜索過程中會比w2“走”得更快。這樣會導致，在搜索過程中更偏向于w1的方向。

      拋開哪種路線更有效于找到最佳解的問題不談，兩點之間直線距離最短，這種直角路線明顯會更耗時間，所以不歸一化，時間會明顯增加。

      從上面的分析總結(jié)，除去數(shù)值問題的影響，最主要的影響就是，每一維的偏導數(shù)計算出來數(shù)量級會不一致。下面我們來個試驗。

3.小實驗

     假設我們有兩個輸入變量，x1范圍是[-1，1]，但x2是[-100,100]，輸出范圍是[-1，1]。x2在輸入數(shù)據(jù)上沒有做歸一化，怎么修改訓練過程，才能讓訓練結(jié)果如同數(shù)據(jù)歸一化了一樣呢。

     通過上面的討論，我們知道x2增大了，會使w2的梯度也很大，因此我們在計算w2梯度時，需要把它的梯度除以100.才能得到它的梯度數(shù)量級與w1的一致。然后在更新w步長的時候，w1的有效取值范圍（1/1）是w2的有效取值范圍（1/100）的100倍，因此w2走的時候，應該以1/100的步去走。所以w2的學習率也需要除以100。

     這樣，若果不考慮數(shù)值問題，會和數(shù)據(jù)作了歸一化的結(jié)果是一樣的。這里就不展示實驗的代碼了，因為需要涉及整個BP代碼。有興趣研究的同學在自己的編寫的代碼上動下刀。

     這是一個案例分析，說明不考慮數(shù)值問題的話，只是影響了這兩個地方。假設，x2的輸入范圍是[100，300]，那肯定不是除以100就可以了，需要更復雜一些的變換，這里不再深入糾結(jié)。

    為什么要歸一化，對于使用梯度下降法訓練的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡總結(jié)出的就是這些原因了。對于其他的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，會有其它的原因，這里就不再作分析。

4.對使用matlab工具箱的建議

關(guān)于使用matlab工具箱需要注意的兩點

1. Matlab2012b已經(jīng)會自動將輸入數(shù)據(jù)歸一化，所以不必再自己去做數(shù)據(jù)的預處理，直接用原始數(shù)據(jù)建立網(wǎng)絡就可以。
2. 但輸出需要做歸一化，因為工具箱計算誤差的時候，使用的是原始數(shù)據(jù)的誤差，因此誤差數(shù)量級可能很大，這樣一來梯度就很大了，在學習率還沒來得及自適應減小的時候，梯度就一下子把原來初始化好的權(quán)重給吞掉了，使網(wǎng)絡的權(quán)重掉到一個離最優(yōu)解非常遠的地方。所以使用matlab神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱，而又要用梯度下降法的話，輸出一定要做歸一化。

           但若果用默認的trainlm法，而不是梯度下降法 traingd的話，那影響不會像 traingd這么嚴重，我們可以看到 trainlm(列文伯格-馬跨特法) 對方向 h 的計算公式是：

    由于JJ和Jf的數(shù)量級不會差太多，而且由于有u的調(diào)整，最終會得到一個適當?shù)膆。

     3.使用matlab2012b（或以上）工具箱得到的網(wǎng)絡權(quán)值，是面向作了歸一化后的數(shù)據(jù)的。所以使用時，需要先對數(shù)據(jù)進行歸一化，再將歸一化后的輸入數(shù)據(jù)放到網(wǎng)絡中計算網(wǎng)絡輸出，再將輸出反歸一化，才是真正的預測結(jié)果。如果想把歸一化過程揉合到網(wǎng)絡的權(quán)值的話，請參考文章：<提取對應原始數(shù)據(jù)的權(quán)重和閾值>

5.個人見解

下面是網(wǎng)友關(guān)于為什么要歸一化的一些回答（歡迎補充）：

1.避免數(shù)值問題。

2.使網(wǎng)絡快速的收斂。

3.樣本數(shù)據(jù)的評價標準不一樣，需要對其量綱化，統(tǒng)一評價標準

4.bp中常采用sigmoid函數(shù)作為轉(zhuǎn)移函數(shù)，歸一化能夠防止凈輸入絕對值過大引起的神經(jīng)元輸出飽和現(xiàn)象 。

5.保證輸出數(shù)據(jù)中數(shù)值小的不被吞食 。

事實上本文的研究大部分都是借鑒了網(wǎng)友的見解，基于這些觀點進一步探討所得，但對部分觀點，本人略有不同看法：

（1）使網(wǎng)絡快速的收斂：贊同。

（2）避免數(shù)值問題：贊同。

（3）統(tǒng)一量綱：本人認為這從屬于業(yè)務層，與網(wǎng)絡的訓練無關(guān)。

（4）避免神經(jīng)元飽和：與權(quán)值閾值相乘后，才是sigmoid的輸入值，初始化得好的話，并不會飽和輸出。若果使用“把權(quán)值和閾值隨機初始化為[-1，1]之間的值”這種初始化方法，那不歸一化就會引起神經(jīng)元輸出飽和現(xiàn)象。

（5）大數(shù)吞小數(shù)：若果我們找到適合的權(quán)值，是不會吞掉的，例如x1=10000,x2=1, 而w1=0.0001,w2=1，那么w1*x1是不會吞掉w2*x1的。

后語

      本文在很多細節(jié)之處，都沒有作深入的討論，一來展開這些討論會讓文章非常冗贅，失去主題。二來（也是最主要的原因），對歸一化作用的研究，只能讓我們更清晰歸一化的好處，減少我們對歸一化的疑惑，并不能促進我們更好的改進網(wǎng)絡效果。所以本文，都僅從大方面，不十分嚴謹?shù)奶峒皻w一化在訓練過程各方面的好處。

      感謝大家的閱讀。

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