深度学习 —参数初始化以及损失函数

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一，参数初始化

神经网络的参数初始化是训练深度学习模型的关键步骤之一。初始化参数（通常是权重和偏置）会对模型的训练速度、收敛性以及最终的性能产生重要影响。

1.1 固定值初始化

固定值初始化是指在神经网络训练开始时，将所有权重或偏置初始化为一个特定的常数值。这种初始化方法虽然简单，但在实际深度学习应用中通常并不推荐。

1.1.1 全0初始化

方面	内容
方法	将所有权重初始化为零。
缺点	1. 对称性破坏：每个神经元在每一层中都会执行相同的计算，模型无法学习。 2. 权重更新一致：在反向传播时，所有神经元会收到相同的梯度，导致权重更新完全一致。 3. 降低表达能力：同一层的神经元会保持相同的功能，极大降低模型的表达能力。
应用场景	通常不用来初始化权重，但可以用来初始化偏置。
对称性问题	- 现象：同一层的所有神经元具有完全相同的初始权重和偏置。 - 后果：在反向传播时，所有神经元会收到相同的梯度，导致权重更新完全一致；无论训练多久，同一层的神经元本质上会保持相同的功能（相当于“一个神经元”的多个副本），极大降低模型的表达能力。

import torch
import torch.nn as nndef test004():linear = nn.Linear(in_features=6, out_features=4)nn.init.zeros_(linear.weight)print(linear.weight)if __name__ == "__main__":test004()

1.1.2 全1初始化

全1初始化会导致网络中每个神经元接收到相同的输入信号，进而输出相同的值，这就无法进行学习和收敛。所以全1初始化只是一个理论上的初始化方法，但在实际神经网络的训练中并不适用

import torch
import torch.nn as nndef test003():linear = nn.Linear(in_features=6, out_features=4)nn.init.ones_(linear.weight)print(linear.weight)if __name__ == "__main__":test003()

1.3 任意常数初始化

将所有参数初始化为某个非零的常数（如 0.1，-1 等）。虽然不同于全0和全1，但这种方法依然不能避免对称性破坏的问题

import torch
import torch.nn as nndef test002():linear = nn.Linear(in_features=6, out_features=4)nn.init.constant_(linear.weight, 0.63)print(linear.weight)passif __name__ == "__main__":test002()

1.2 随机初始化

方面	内容
方法	使用随机数生成器为每个权重分配一个随机值。通常从某个分布（如正态分布或均匀分布）中采样。例如： - 均匀分布：从 $[-a,a]$ 中随机采样，其中 $a$ 是一个小的常数。 - 正态分布：从均值为0、标准差为 $\sigma$ 的正态分布中采样。
优点	1. 打破对称性：每个神经元的初始权重不同，避免了所有神经元执行相同计算的问题。 2. 加速收敛：随机初始化可以避免梯度消失或梯度爆炸的问题，使训练过程更加稳定。 3. 提高模型表达能力：不同的初始权重使得每个神经元能够学习不同的特征，增强了模型的表达能力。
缺点	1. 选择合适的范围：如果随机初始化的范围过大或过小，可能会导致训练不稳定或收敛缓慢。例如，范围过大可能导致梯度爆炸，范围过小可能导致梯度消失。 2. 需要调整超参数：需要选择合适的分布和范围，这可能需要一些实验和调优。
应用场景	适用于大多数神经网络的权重初始化，尤其是深层网络。正态分布和均匀分布是最常用的初始化方法。
注意事项	1. 小范围初始化：通常选择较小的随机范围，例如 $[-0.01,0.01]$ 或标准差为0.01的正态分布。 2. 根据网络深度调整：对于较深的网络，可能需要更小的初始化范围，以避免梯度消失或爆炸。 3. 结合激活函数：不同的激活函数可能需要不同的初始化策略。例如，ReLU 激活函数通常需要使用 He 初始化（正态分布，标准差为 $\sqrt{2/n}$），而 Sigmoid 或 Tanh 激活函数通常使用 Xavier 初始化（均匀分布或正态分布，范围根据输入和输出维度调整）。

def test01():model =nn.Linear(8,1)print(model.weight)#均匀分步初始化nn.init.normal_(model.weight,mean=0,std=0.01)print(model.weight)#正态分布初始化# 均值为0，标准差为0.01nn.init.normal_(model.weight,mean=0,std=0.01)print(model.weight)
if __name__ == '__main__':test01()