神经网络中各种激活函数比较

Posted 2020-10-02 合唱团abc

ReLU 激活函数：

ReLu使得网络可以自行引入稀疏性，在没做预训练情况下，以ReLu为激活的网络性能优于其它激活函数。 
数学表达式： $y = max(0,x)$

第一，sigmoid的导数只有在0附近的时候有比较好的激活性，在正负饱和区的梯度都接近于0，所以这会造成梯度消失，而relu函数在大于0的部分梯度为常数，所以正半区不会产生梯度消失现象。第二，relu函数在负半区的导数为0 ，所以一旦神经元激活值进入负半区，那么梯度就会为0，也就是说这个神经元不会经历训练，即所谓的稀疏性。第三，relu函数的导数计算更快，程序实现就是一个if-else语句，而sigmoid函数要进行浮点四则运算。

ReLU 的缺点是，它在训练时比较脆弱并且可能“死掉”。

神经元死亡：如果梯度太大，而学习率又不小心设置得太大，就会导致权重一下子更新过多，就有可能出现这种情况：对于任意训练样本  ，网络的输出都是小于0的。对于relu函数来说，则所有流过这个神经元的梯度将都变成 0，该神经元不会被更新。

解决方案：

1、把relu换成leaky relu，保证让激活函数在输入小于零的情况下也有非零的梯度。

2、采用较小的学习率

3、采用 momentum based 优化算法，动态调整学习率

Leaky ReLU 是为解决“ ReLU 死亡”问题的尝试。

ReLU 中当 x<0 时，函数值为 0。而 Leaky ReLU 则是给出一个很小的梯度值，比如 0.01。

maxout：

https://arxiv.org/pdf/1302.4389.pdf

 

Maxout 具有 ReLU 的优点（如：计算简单，不会 梯度饱和），同时又没有 ReLU 的一些缺点 （如：容易 go die）。不过呢，还是有一些缺点的嘛：就是把参数double了。

Sigmoid 激活函数：

sigmoid 激活函数在神经网络学习方面，可以将重点特征推向中央区，将非重点特征推向两侧区。 
数学表达式： $y = (1 + exp(-x))^{-1}$  

$ y\' = y (1-y) $

缺点:

激活函数计算量大，反向传播求梯度时，求导涉及除法
反向传播时，很容易就会出现梯度消失或梯度爆炸的情况，从而无法完成深层网络的训练

梯度消失或梯度爆炸的原因：

以下图的反向传播为例（假设每一层只有一个神经元且对于每一层，其中为sigmoid函数）

可以推导出

的最大值为，而我们初始化的网络权值通常都小于1，因此，因此对于上面的链式求导，层数越多，求导结果越小，因而导致梯度消失的情况出现。

这样，梯度爆炸问题的出现原因就显而易见了，即，也就是比较大的情况。但对于使用sigmoid激活函数来说，这种情况比较少。因为的大小也与有关（），除非该层的输入值在一直一个比较小的范围内。

其实梯度爆炸和梯度消失问题都是因为网络太深，网络权值更新不稳定造成的，本质上是因为梯度反向传播中的连乘效应(导数的链式求导法则)。对于更普遍的梯度消失问题，可以考虑用ReLU激活函数取代sigmoid激活函数。另外，LSTM的结构设计也可以改善RNN中的梯度消失问题。

 

Tanh 激活函数：

Tanh 激活函数使得输出与输入的关系能保持非线性单调上升和下降关系，比sigmoid 函数延迟了饱和期（即导数接近0），对神经网路的容错性好。 
数学表达式： 

$y\' = \\frac{4}{(e^x + e^{-x})^2}$