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Batch Norm vs Layer Norm：为什么 Transformer 更适合用 Layer Norm？

news 来源：原创 2025/6/23 0:37:32

Batch Norm vs Layer Norm：为什么 Transformer 更适合用 Layer Norm？

1. Batch Norm 和 Layer Norm 的定义与作用

1.1 Batch Normalization (BN)
Batch Norm 是一种归一化方法，主要用于加速深层神经网络的训练。它在每个小批量（batch）中对输入的特征值进行归一化，保证特征的均值接近 0，方差接近 1，从而减小梯度消失和梯度爆炸的问题。

公式：对于第 ( $i$ ) 个特征：一般是一列
$\hat{x}_i = \frac{x_i - \mu_B}{\sqrt{\sigma_B^2 + \epsilon}}$
其中：

( $x_i$ ) 是第 ( $i$ ) 个特征值
( $\mu_B, \sigma_B^2$ ) 分别为该特征在当前 batch 的均值和方差
( $\epsilon$ ) 是平滑项，防止分母为 0

经过归一化后，BN 会通过两个可学习参数恢复原来的表达能力：
$y_i = \gamma \hat{x}_i + \beta$

1.2 Layer Normalization (LN)
Layer Norm 是一种对 单一输入样本的特征维度 进行归一化的方法，不依赖 batch 维度。与 Batch Norm 不同，LN 计算的是当前样本在特征维度上的均值和方差。

公式：对于样本 ( $x$ ) 中第 ( $i$ ) 个特征：一般是一行
$\hat{x}_i = \frac{x_i - \mu_L}{\sqrt{\sigma_L^2 + \epsilon}}$
其中：

( $\mu_L, \sigma_L^2$ ) 是当前样本所有特征的均值和方差

同样，LN 会使用可学习参数 ( $\gamma, \beta$ ) 恢复特征表达能力：
$y_i = \gamma \hat{x}_i + \beta$

2. Batch Norm 和 Layer Norm 的主要区别

对比维度	Batch Norm (BN)	Layer Norm (LN)
归一化范围	Batch 中的每个特征	单个样本的所有特征
依赖 Batch 大小	依赖小批量数据的均值和方差，Batch 越小效果越差	不依赖 Batch 大小，适合单样本或小 Batch
适用场景	CNN 等图像任务，Batch 通常较大	NLP 和 Transformer 等场景，输入序列和特征维度较多
稳定性	小 Batch 或在线学习时效果较差，可能导致波动	在小 Batch 和序列任务中表现稳定

3. 为什么 Transformer 中使用 Layer Norm？

Transformer 采用 Layer Norm 的原因可以从以下几个方面解释：

3.1 序列建模任务的特点

Transformer 主要用于序列任务（如 NLP），输入通常为高维特征序列，长度可变。
Layer Norm 在特征维度上归一化，适应任意长度的序列，而 Batch Norm 依赖批量大小，对序列任务不够灵活。

3.2 小批量训练的限制

在 NLP 任务中，由于长文本的存在，Batch Size 通常较小。Batch Norm 在小 Batch 下效果较差，易受样本均值和方差的噪声影响。
Layer Norm 不依赖 Batch 维度，因此在小 Batch 训练中更稳定。

3.3 平稳性和梯度流动

Transformer 使用自注意力机制，每层的输入依赖于上一层的输出。Layer Norm 在特征维度归一化，使梯度更新更加稳定。
Batch Norm 会因为动态 Batch 均值和方差的变化导致梯度波动。

3.4 并行计算效率

Layer Norm 的计算只涉及当前样本，适合 Transformer 的并行计算框架。
Batch Norm 需要在小批量数据之间计算统计量，限制了并行效率。

4. 示例：数值模拟 Batch Norm 和 Layer Norm 的效果

我们通过代码模拟两种归一化方法的行为，观察它们在不同输入场景下的效果。

import torch
import torch.nn as nn# 定义数据
torch.manual_seed(42)
input_data = torch.randn(4, 5)  # 4 个样本，每个样本 5 个特征
print("Input Data:\n", input_data)
#让input data = 
# tensor([[ 1.9269,  1.4873,  0.9007, -2.1055, -0.7581],
#        [ 1.0783,  0.8008,  1.6806,  0.3559, -0.6866],
#        [-0.4934,  0.2415, -0.2316,  0.0418, -0.2516],
#        [ 0.8599, -0.3097, -0.3957,  0.8034, -0.6216]])# Batch Norm
batch_norm = nn.BatchNorm1d(5)  # 对每个特征归一化
output_bn = batch_norm(input_data)
print("\nBatch Norm Output:\n", output_bn)# Layer Norm
layer_norm = nn.LayerNorm(5)  # 对每个样本的特征维度归一化
output_ln = layer_norm(input_data)
print("\nLayer Norm Output:\n", output_ln)

Input：

Input Data:tensor([[ 1.9269,  1.4873,  0.9007, -2.1055, -0.7581],[ 1.0783,  0.8008,  1.6806,  0.3559, -0.6866],[-0.4934,  0.2415, -0.2316,  0.0418, -0.2516],[ 0.8599, -0.3097, -0.3957,  0.8034, -0.6216]])

输出对比

Batch Norm 的归一化结果依赖于每列特征的 Batch 均值和方差。
Layer Norm 的归一化结果仅依赖于每个样本的特征维度。

计算过程与解释

以下是给定代码中 Batch Norm 和 Layer Norm 的手动计算过程。我们分别以 Batch Norm 第 1 列 和 Layer Norm 第 1 行 为例，详细说明其工作原理。

1. Batch Norm 的计算过程

Batch Norm 操作：

Batch Norm 是对每个特征（列）在整个 batch 中计算均值和方差，然后对每个特征进行归一化处理，公式如下：
$\text{BN}(x_{i,j}) = \frac{x_{i,j} - \mu_j}{\sqrt{\sigma_j^2 + \epsilon}} \cdot \gamma + \beta$
其中：
- ( $x_{i,j}$ ) 是第 ( $i$ ) 个样本第 ( $j$ ) 个特征值。
- ( $\mu_j$ ) 是第 ( $j$ ) 列的均值，( $\sigma_j^2$ ) 是第 ( $j$ ) 列的方差。
- ( $\gamma$ ) 和 ( $\beta$ ) 是可学习参数（初始化为 1 和 0）。

以第 1 列为例（特征索引为 0）：
输入数据第 1 列为：
$\text{Input}_{\text{第 1 列}} = [1.9269, 1.0783, -0.4934, 0.8599]$

计算均值：
$\mu_0 = \frac{1.9269 + 1.0783 - 0.4934 + 0.8599}{4} = 0.84293$
计算方差：
$\sigma_0^2 = \frac{(1.9269 - \mu_0)^2 + (1.0783 - \mu_0)^2 + (-0.4934 - \mu_0)^2 + (0.8599 - \mu_0)^2}{4} = 0.71583$
归一化操作（假设 ( $\gamma = 1, \beta = 0$ )）：
每个元素按以下公式计算：
$\text{BN}(x_{i,0}) = \frac{x_{i,0} - \mu_0}{\sqrt{\sigma_0^2 + \epsilon}}$
取 ( $\epsilon = 10^{-5}$ )，结果如下：
$\text{BN}(1.9269) = \frac{1.9269 - 0.84293}{\sqrt{0.71583 + 10^{-5}}} \approx 1.2794$
$\text{BN}(1.0783) = \frac{1.0783 - 0.84293}{\sqrt{0.71583 + 10^{-5}}} \approx 0.2774$
$\text{BN}(-0.4934) = \frac{-0.4934 - 0.84293}{\sqrt{0.71583 + 10^{-5}}} \approx -1.5784$
$\text{BN}(0.8599) = \frac{0.8599 - 0.84293}{\sqrt{0.71583 + 10^{-5}}} \approx 0.0216$

第 1 列的输出为：
$\text{BN 第 1 列输出} = [1.2794, 0.2774, -1.5784, 0.0216]$

2. Layer Norm 的计算过程

Layer Norm 操作：

Layer Norm 是对每个样本的所有特征（行）计算均值和方差，然后对整行归一化处理，公式如下：
$\text{LN}(x_{i,j}) = \frac{x_{i,j} - \mu_i}{\sqrt{\sigma_i^2 + \epsilon}} \cdot \gamma + \beta$
其中：
- ( $x_{i,j}$ ) 是第 ( $i$ ) 个样本第 ( $j$ ) 个特征值。
- ( $\mu_i$ ) 是第 ( $i$ ) 行的均值，( $\sigma_i^2$ ) 是第 ( $i$ ) 行的方差。
- ( $\gamma$ ) 和 ( $\beta$ ) 是可学习参数（初始化为 1 和 0）。

以第 1 行为例（样本索引为 0）：
输入数据第 1 行为：
$\text{Input}_{\text{第 1 行}} = [1.9269, 1.4873, 0.9007, -2.1055, -0.7581]$

计算均值：
$\mu_0 = \frac{1.9269 + 1.4873 + 0.9007 - 2.1055 - 0.7581}{5} = 0.29026$
计算方差：
$\sigma_0^2 = \frac{(1.9269 - \mu_0)^2 + (1.4873 - \mu_0)^2 + (0.9007 - \mu_0)^2 + (-2.1055 - \mu_0)^2 + (-0.7581 - \mu_0)^2}{5} = 2.01125$
归一化操作（假设 ( $\gamma = 1, \beta = 0$ )）：
每个元素按以下公式计算：
$\text{LN}(x_{0,j}) = \frac{x_{0,j} - \mu_0}{\sqrt{\sigma_0^2 + \epsilon}}$
取 ( $\epsilon = 10^{-5}$ )，结果如下：
$\text{LN}(1.9269) = \frac{1.9269 - 0.29026}{\sqrt{2.01125 + 10^{-5}}} \approx 1.1526$
$\text{LN}(1.4873) = \frac{1.4873 - 0.29026}{\sqrt{2.01125 + 10^{-5}}} \approx 0.8415$
$\text{LN}(0.9007) = \frac{0.9007 - 0.29026}{\sqrt{2.01125 + 10^{-5}}} \approx 0.4318$
$\text{LN}(-2.1055) = \frac{-2.1055 - 0.29026}{\sqrt{2.01125 + 10^{-5}}} \approx -1.6822$
$\text{LN}(-0.7581) = \frac{-0.7581 - 0.29026}{\sqrt{2.01125 + 10^{-5}}} \approx -0.7437$

第 1 行的输出为：
$\text{LN 第 1 行输出} = [1.1526, 0.8415, 0.4318, -1.6822, -0.7437]$

更详细的例子可以参考笔者的另一篇博客：以[Today is great] [ How are you]两句话为例：学习Batch Norm和Layer Norm

总结

Batch Norm 是对每列（特征维度）进行归一化操作，关注每个特征的分布。适合于计算机视觉任务中输入数据的特征相似性较强的情况。
Layer Norm 是对每行（样本维度）进行归一化操作，关注样本自身的特征平衡。适合于 NLP 和序列建模中每个输入样本维度分布差异较大的场景。

5. Transformer 中 Layer Norm 的代码实现

在 Transformer 中，Layer Norm 通常应用于每个子层（子层归一化，SubLayer Norm），确保模型在深层架构中保持数值稳定。

import torch
import torch.nn as nnclass TransformerLayer(nn.Module):def __init__(self, d_model):super(TransformerLayer, self).__init__()self.self_attention = nn.MultiheadAttention(d_model, num_heads=8)self.feed_forward = nn.Sequential(nn.Linear(d_model, d_model * 4),nn.ReLU(),nn.Linear(d_model * 4, d_model))self.norm1 = nn.LayerNorm(d_model)self.norm2 = nn.LayerNorm(d_model)self.dropout = nn.Dropout(0.1)def forward(self, x):# Self-Attention + Residual Connection + Layer Normattn_output, _ = self.self_attention(x, x, x)x = self.norm1(x + self.dropout(attn_output))# Feed-Forward + Residual Connection + Layer Normff_output = self.feed_forward(x)x = self.norm2(x + self.dropout(ff_output))return x# 测试 Transformer Layer
x = torch.randn(10, 16, 512)  # 序列长度 10，Batch Size 16，特征维度 512
layer = TransformerLayer(d_model=512)
output = layer(x)
print("Transformer Output Shape:", output.shape)

6. Layer Norm 在 NLP 任务中的应用

在 NLP 中，Layer Norm 被广泛应用于 Transformer 模型，如 BERT、GPT 等。
典型的应用：

BERT：在每个 Encoder 子层中使用 Layer Norm。
GPT：在 Decoder 中结合残差连接使用 Layer Norm。

以下是 Layer Norm 在 NLP 任务中提升稳定性的原因：

输入多样性：句子长度和特征分布差异大，Layer Norm 可适应这些变化。
小批量训练：NLP 任务常用小 Batch，Layer Norm 保持稳定。
多头注意力机制：Layer Norm 确保特征维度的均衡分布，提升注意力权重的稳定性。

7. 总结

维度	Batch Norm	Layer Norm
归一化范围	Batch 内每列特征	每个样本的所有特征
适用场景	图像任务（CNN 等）	NLP 和序列建模（Transformer 等）
对 Batch 大小的依赖	依赖 Batch 大小，Batch 越大越稳定	无需依赖 Batch 大小
数值稳定性	小 Batch 下梯度可能波动较大	无论 Batch 大小如何均稳定

Layer Norm 的灵活性和稳定性，使其成为 Transformer 和 NLP 任务的首选归一化方法，在深层序列模型中尤为重要。

后记

2024年12月14日17点01分于上海，在GPT4o大模型辅助下完成。