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【漫话机器学习系列】260.在前向神经网络中初始权重（Initializing Weights In Feedforward Neural Networks）

news 来源：原创 2025/5/16 9:07:52

前向神经网络中的权重初始化策略详解

在神经网络模型中，“初始化”常常被认为只是模型训练前的一个小步骤，但它却可能决定了整个网络能否高效收敛，是否会出现梯度爆炸或消失的问题。今天，我们通过一张生动的手绘图，来拆解权重初始化的常见做法与其背后的逻辑。

图示来源与内容导读

首先来看这张图：

图中总结了神经网络中权重初始化的三大原则：

以小的随机数作为初始值
通常从正态分布中抽取初始权重值
偏差预置为 0 或小正数

这三条简单直白却非常关键，是深度学习中广泛实践的基础。

以小的随机数作为初始值

神经网络的每一层权重矩阵 WW，在初始化时不应为零或固定值，而应当是小幅度扰动的随机数。这是为了：

打破对称性（Symmetry Breaking）：
如果所有神经元参数都相同，那么无论输入如何，它们的输出也将完全一样，导致网络无法学习有意义的特征。
保持梯度传播稳定：
如果初始化值太大，激活值或梯度可能会“爆炸”；如果太小，则可能“消失”。

常见做法：

从 [−0.1,0.1]、 $[-1/\sqrt{n}, 1/\sqrt{n}]$ 这样的区间中均匀采样
或者从均值为 0、标准差为 0.01 的正态分布中采样

通常从正态分布中抽取初始权重值

多数深度学习框架（如 PyTorch、TensorFlow）都支持从正态分布中生成初始权重，例如：

$W_{ij} \sim \mathcal{N}(0, \sigma^2)$

但“正态分布”只是一个起点，后续研究提出了更加精细的初始化策略，如：

Xavier 初始化（Glorot Normal）：
$W_{ij} \sim \mathcal{N}\left(0, \frac{2}{n_{in} + n_{out}}\right)$
适用于 sigmoid 或 tanh 激活函数。
He 初始化（Kaiming Normal）：
$W_{ij} \sim \mathcal{N}\left(0, \frac{2}{n_{in}}\right)$
适用于 ReLU 激活函数。

目的：保持前向传播与反向传播时激活值与梯度的方差稳定，避免训练过程中“层数越深，问题越大”。

偏差预置为 0 或小正数

图中提到：“偏差预置为 0 或小正数”，这是因为：

偏置 bb 通常用于激活函数的平移，初始化为 0 不影响对称性打破；
某些情况下（如使用 ReLU），初始化为小正数可以让神经元更容易激活，减少“ReLU 死亡”。

举例来说，在 PyTorch 中初始化 bias 为零：

import torch.nn as nn
layer = nn.Linear(256, 128)
nn.init.zeros_(layer.bias)

实际代码演示（以 PyTorch 为例）

import torch.nn as nn
import torch.nn.init as init# 定义一个线性层
fc = nn.Linear(in_features=256, out_features=128)# Xavier 正态分布初始化（适合 sigmoid/tanh）
init.xavier_normal_(fc.weight)# 或 He 初始化（适合 ReLU）
init.kaiming_normal_(fc.weight, nonlinearity='relu')# 偏置初始化为0
init.zeros_(fc.bias)

这些初始化方式在 PyTorch 和 TensorFlow 中都非常方便使用，并已被集成到大多数高级 API 中。

总结

原则	解释	实践建议
小的随机数初始化	打破对称性，避免梯度爆炸	选取合适的分布和方差范围
正态分布采样	保持方差一致，收敛更快	根据激活函数选择 Xavier 或 He 初始化
偏置设置为0或小正数	不影响前期训练	通常设为0，ReLU中可用小正数