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PyTorch 参数初始化详解：从理论到实践

ai 2025/7/17 14:18:08

一、参数初始化的重要性

二、常见初始化方法及实现

1. 固定值初始化

2. 随机初始化

2.1 均匀分布初始化

2.2 正态分布初始化

3. Xavier 初始化（Glorot 初始化）

4. He 初始化（Kaiming 初始化）

三、初始化方法选择指南

四、在实际模型中应用

五、总结

在深度学习中，模型参数的初始化方式直接影响训练效果和收敛速度。不合适的初始化可能导致梯度消失、梯度爆炸或收敛缓慢等问题。本文将结合 PyTorch 代码实例，详细讲解常用的参数初始化方法及其适用场景。

一、参数初始化的重要性

神经网络的参数（权重和偏置）初始化是模型训练的第一步，其核心作用在于：

避免输入数据经过多层传播后出现值过小（梯度消失）或过大（梯度爆炸）的问题
保证各层的输入和输出分布相对稳定
加快模型收敛速度
提高模型最终性能

在 PyTorch 中，nn.Linear等层会有默认的初始化方式，但了解并合理使用不同的初始化方法能帮助我们针对特定任务优化模型。

二、常见初始化方法及实现

1. 固定值初始化

固定值初始化是指将参数初始化为特定常数（如 0、1 或其他固定值），这种方法在深度学习中很少使用。

import torch
from torch import nn# 全零初始化
def test_zero_init():linear = nn.Linear(in_features=6, out_features=4)nn.init.zeros_(linear.weight)  # 将权重初始化为0print(linear.weight)# 全1初始化
def test_one_init():linear = nn.Linear(in_features=6, out_features=4)nn.init.ones_(linear.weight)   # 将权重初始化为1print(linear.weight)# 任意常数初始化
def test_constant_init():linear = nn.Linear(in_features=6, out_features=4)nn.init.constant_(linear.weight, 0.63)  # 将权重初始化为0.63print(linear.weight)

缺点：

导致对称性问题：同一层神经元参数相同，无法学习不同特征
无法打破对称性，训练过程中各神经元会保持一致的更新，等价于单个神经元
通常只用于偏置初始化，很少用于权重初始化

2. 随机初始化

随机初始化从概率分布中采样值作为初始参数，能有效打破对称性，是最基础的初始化方法。

2.1 均匀分布初始化

从均匀分布U(a, b)中采样参数值：

def test_uniform_init():linear = nn.Linear(in_features=10, out_features=2)# 均匀分布初始化，默认范围为[-sqrt(1/in_features), sqrt(1/in_features)]nn.init.uniform_(linear.weight)print(linear.weight)

2.2 正态分布初始化

从正态分布$N(mean, std^2)$中采样参数值：

def test_normal_init():linear = nn.Linear(in_features=10, out_features=2)# 正态分布初始化，mean为均值，std为标准差nn.init.normal_(linear.weight, mean=0, std=1)print(linear.weight)

特点：

简单有效，能打破对称性
需要合理设置分布范围，避免初始值过大或过小
适用于各种简单网络

3. Xavier 初始化（Glorot 初始化）

Xavier 初始化由 Xavier Glorot 在 2010 年提出，专门设计用于解决深层网络的梯度问题，核心思想是使前向传播和反向传播中信号的方差保持一致。

# Xavier均匀分布初始化
def test_xavier_uniform():linear = nn.Linear(in_features=10, out_features=2)nn.init.xavier_uniform_(linear.weight)print(linear.weight)# Xavier正态分布初始化
def test_xavier_normal():linear = nn.Linear(in_features=10, out_features=2)nn.init.xavier_normal_(linear.weight)print(linear.weight)

数学原理：

均匀分布： $W \sim U\left(-\frac{\sqrt{6}}{\sqrt{n_{in} + n_{out}}}, \frac{\sqrt{6}}{\sqrt{n_{in} + n_{out}}}\right)$
正态分布： $W \sim N\left(0, \frac{2}{n_{in} + n_{out}}\right)$

其中 $n_{_in}$ 是输入神经元数量， $n_{out}$ 是输出神经元数量。

适用场景：

浅层网络
使用 sigmoid、tanh 等激活函数的网络

4. He 初始化（Kaiming 初始化）

He 初始化由 Kaiming He 等人提出，专门针对 ReLU 激活函数设计，考虑了 ReLU 会将一半输入置零的特性。

# He均匀分布初始化
def test_kaiming_uniform():linear = nn.Linear(in_features=10, out_features=2)# nonlinearity参数指定激活函数，默认为'relu'nn.init.kaiming_uniform_(linear.weight, nonlinearity="relu")print(linear.weight)# He正态分布初始化
def test_kaiming_normal():linear = nn.Linear(in_features=10, out_features=2)# mode参数：'fan_in'优先保证前向传播稳定，'fan_out'优先保证反向传播稳定nn.init.kaiming_normal_(linear.weight, nonlinearity="relu", mode='fan_in')print(linear.weight)

数学原理：

均匀分布： $W \sim U\left(-\frac{\sqrt{6}}{\sqrt{n_{in}}}, \frac{\sqrt{6}}{\sqrt{n_{in}}}\right)$
正态分布： $W \sim N\left(0, \frac{2}{n_{in}}\right)$

适用场景：

深层网络
使用 ReLU、LeakyReLU 等激活函数的网络（目前深度学习中最常用的初始化方法之一）

三、初始化方法选择指南

初始化方法	适用激活函数	适用网络类型	特点
固定值初始化	无	无	简单但有对称性问题，不推荐用于权重
随机均匀分布	各类激活函数	简单网络	基础方法，需调整范围
随机正态分布	各类激活函数	简单网络	基础方法，需调整均值和标准差
Xavier 初始化	sigmoid、tanh	浅层网络	平衡前向和反向传播方差
He 初始化	ReLU、LeakyReLU	深层网络	针对 ReLU 特性优化，目前最常用

实践建议：

卷积神经网络 (CNN) 和深层全连接网络优先使用 He 初始化
使用 sigmoid 或 tanh 的网络推荐使用 Xavier 初始化
避免使用全零或全一初始化权重
偏置通常可以初始化为 0

四、在实际模型中应用

以下是在自定义网络中应用初始化方法的示例：

import torch
from torch import nnclass MyModel(nn.Module):def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):super(MyModel, self).__init__()self.fc1 = nn.Linear(input_size, hidden_size)self.fc2 = nn.Linear(hidden_size, output_size)self.relu = nn.ReLU()# 自定义初始化self._initialize_weights()def _initialize_weights(self):# 对第一层使用He初始化nn.init.kaiming_normal_(self.fc1.weight, mode='fan_in', nonlinearity='relu')# 对第二层使用He初始化nn.init.kaiming_normal_(self.fc2.weight, mode='fan_in', nonlinearity='relu')# 偏置初始化为0nn.init.zeros_(self.fc1.bias)nn.init.zeros_(self.fc2.bias)def forward(self, x):x = self.relu(self.fc1(x))x = self.fc2(x)return x# 测试模型初始化
model = MyModel(input_size=20, hidden_size=64, output_size=10)