浅谈数据归一化

　　归一化是一种简化计算的方式，即将有量纲的表达式，经过变换，化为无量纲的表达式，成为纯量。归一化是为了加快训练网络的收敛性，可以不进行归一化处理
     归一化的具体作用是归纳统一样本的统计分布性。归一化在0-1之间是统计的概率分布，归一化在-1--+1之间是统计的坐标分布。

　　在这里主要讨论两种归一化方法：

　　1、线性函数归一化(Min-Max scaling)

　　线性函数将原始数据线性化的方法转换到[0 1]的范围，归一化公式如下：

　　该方法实现对原始数据的等比例缩放，其中Xnorm为归一化后的数据，X为原始数据，Xmax、Xmin分别为原始数据集的最大值和最小值。

　　2、0均值标准化(Z-score standardization)

　　0均值归一化方法将原始数据集归一化为均值为0、方差1的数据集，归一化公式如下：

　　其中，μ、σ分别为原始数据集的均值和方法。该种归一化方式要求原始数据的分布可以近似为高斯分布，否则归一化的效果会变得很糟糕。

　　3、反余切函数转换，表达式如下：
                                          y=atan(x)*2/PI

　　以上为两种比较普通但是常用的归一化技术，那这两种归一化的应用场景是怎么样的呢？什么时候第一种方法比较好、什么时候第二种方法比较好呢？下面做一个简要的分析概括：

　　1、在分类、聚类算法中，需要使用距离来度量相似性的时候、或者使用PCA技术进行降维的时候，第二种方法(Z-score standardization)表现更好。

　　2、在不涉及距离度量、协方差计算、数据不符合正太分布的时候，可以使用第一种方法或其他归一化方法。比如图像处理中，将RGB图像转换为灰度图像后将其值限定在[0 255]的范围。

　　为什么在距离度量计算相似性、PCA中使用第二种方法(Z-score standardization)会更好呢？我们进行了以下的推倒分析：

归一化方法对方差、协方差的影响：假设数据为2个维度(X、Y)，首先看0均值对方法、协方差的影响：

　　可以看到，使用第一种方法(线性变换后)，其协方差产生了倍数值的缩放，因此这种方式无法消除量纲对方差、协方差的影响，对PCA分析影响巨大；同时，由于量纲的存在，使用不同的量纲、距离的计算结果会不同。

　　而在第二种归一化方式中，新的数据由于对方差进行了归一化，这时候每个维度的量纲其实已经等价了，每个维度都服从均值为0、方差1的正太分布，在计算距离的时候，每个维度都是去量纲化的，避免了不同量纲的选取对距离计算产生的巨大影响。

　　总结来说，在算法、后续计算中涉及距离度量(聚类分析)或者协方差分析(PCA、LDA等)的，同时数据分布可以近似为状态分布，应当使用0均值的归一化方法。其他应用中更具需要选用合适的归一化方法。