激活函數(shù)小結(jié)

數(shù)數(shù)數(shù)據(jù)庫 2019-06-21

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什么是激活函數(shù)

如下圖，在神經(jīng)元中，輸入的 inputs 通過加權(quán)，求和后，還被作用了一個函數(shù)，這個函數(shù)就是激活函數(shù) Activation Function。

為什么要用

如果不用激勵函數(shù)，每一層輸出都是上層輸入的線性函數(shù)，無論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有多少層，輸出都是輸入的線性組合。
如果使用的話，激活函數(shù)給神經(jīng)元引入了非線性因素，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以任意逼近任何非線性函數(shù)，這樣神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以應(yīng)用到眾多的非線性模型中。

每個激活函數(shù)的輸入都是一個數(shù)字，然后對其進(jìn)行某種固定的數(shù)學(xué)操作。激活函數(shù)給神經(jīng)元引入了非線性因素，如果不用激活函數(shù)的話，無論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有多少層，輸出都是輸入的線性組合。

激活函數(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了Sigmoid -> Tanh -> ReLU -> Leaky ReLU -> Maxout這樣的過程，還有一個特殊的激活函數(shù)Softmax，因為它只會被用在網(wǎng)絡(luò)中的最后一層，用來進(jìn)行最后的分類和歸一化。本文簡單來梳理這些激活函數(shù)是如何一步一步演變而來的。

總結(jié)如下：

Sigmoid

sigmoid非線性函數(shù)的數(shù)學(xué)公式是

函數(shù)圖像如下圖所示。它輸入實數(shù)值并將其“擠壓”到0到1范圍內(nèi)，適合輸出為概率的情況，但是現(xiàn)在已經(jīng)很少有人在構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過程中使用sigmoid。

存在問題：

Sigmoid函數(shù)飽和使梯度消失。當(dāng)神經(jīng)元的激活在接近0或1處時會飽和，在這些區(qū)域梯度幾乎為0，這就會導(dǎo)致梯度消失，幾乎就有沒有信號通過神經(jīng)傳回上一層。
Sigmoid函數(shù)的輸出不是零中心的。因為如果輸入神經(jīng)元的數(shù)據(jù)總是正數(shù)，那么關(guān)于w的梯度在反向傳播的過程中，將會要么全部是正數(shù)，要么全部是負(fù)數(shù)，這將會導(dǎo)致梯度下降權(quán)重更新時出現(xiàn)z字型的下降。

Tanh

數(shù)學(xué)公式：

Tanh非線性函數(shù)的數(shù)學(xué)公式是

Tanh非線性函數(shù)圖像如下圖所示，它將實數(shù)值壓縮到[-1,1]之間。

存在問題：

Tanh解決了Sigmoid的輸出是不是零中心的問題，但仍然存在飽和問題。

為了防止飽和，現(xiàn)在主流的做法會在激活函數(shù)前多做一步batch normalization，盡可能保證每一層網(wǎng)絡(luò)的輸入具有均值較小的、零中心的分布。

ReLU

數(shù)學(xué)公式：

ReLU非線性函數(shù)圖像如下圖所示。相較于sigmoid和tanh函數(shù)，ReLU對于隨機梯度下降的收斂有巨大的加速作用；sigmoid和tanh在求導(dǎo)時含有指數(shù)運算，而ReLU求導(dǎo)幾乎不存在任何計算量。

對比sigmoid類函數(shù)主要變化是：

1）單側(cè)抑制；

2）相對寬闊的興奮邊界；

3）稀疏激活性。

存在問題：

ReLU單元比較脆弱并且可能“死掉”，而且是不可逆的，因此導(dǎo)致了數(shù)據(jù)多樣化的丟失。通過合理設(shè)置學(xué)習(xí)率，會降低神經(jīng)元“死掉”的概率。

Leaky ReLU

數(shù)學(xué)公式：

函數(shù)公式是

其中 e是很小的負(fù)數(shù)梯度值，比如0.01，Leaky ReLU非線性函數(shù)圖像如下圖所示。這樣做目的是使負(fù)軸信息不會全部丟失，解決了ReLU神經(jīng)元“死掉”的問題。更進(jìn)一步的方法是PReLU，即把 e當(dāng)做每個神經(jīng)元中的一個參數(shù)，是可以通過梯度下降求解的。

Maxout

Maxout出現(xiàn)在ICML2013上，作者Goodfellow將maxout和dropout結(jié)合后，號稱在MNIST, CIFAR-10, CIFAR-100, SVHN這4個數(shù)據(jù)上都取得了start-of-art的識別率。

數(shù)學(xué)公式：

f i (x)=m ax j ∈[1 ,k] z i j

假設(shè) w 是2維，那么有：

Maxout是對ReLU和leaky ReLU的一般化歸納，可以注意到，ReLU 和 Leaky ReLU 都是它的一個變形（比如， w 1 ,b 1 =0 的時候，就是 ReLU）.

Maxout的擬合能力是非常強的，它可以擬合任意的的凸函數(shù)。作者從數(shù)學(xué)的角度上也證明了這個結(jié)論，即只需2個maxout節(jié)點就可以擬合任意的凸函數(shù)了（相減），前提是”隱含層”節(jié)點的個數(shù)可以任意多.

所以，Maxout 具有 ReLU 的優(yōu)點（如：計算簡單，不會 saturation），同時又沒有 ReLU 的一些缺點（如：容易 go die）。不過呢，還是有一些缺點的嘛：就是把參數(shù)double了。

Softmax

數(shù)學(xué)公式：

Softmax用于多分類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出，目的是讓大的更大。函數(shù)公式是

示意圖如下。

Softmax是Sigmoid的擴(kuò)展，當(dāng)類別數(shù)k＝2時，Softmax回歸退化為Logistic回歸。

還有其他一些激活函數(shù)，請看下表：

怎么選擇激活函數(shù)呢？

如果你使用 ReLU，那么一定要小心設(shè)置 learning rate，而且要注意不要讓你的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)很多 “dead” 神經(jīng)元，如果這個問題不好解決，那么可以試試 Leaky ReLU、PReLU 或者 Maxout.
還有，通常來說，很少會把各種激活函數(shù)串起來在一個網(wǎng)絡(luò)中使用的。

參考資料：