[深度学习]什么叫激活函数_什么是激活函数

 

目录

1.激活函数的定义

2.激活函数在神经网络的位置

3.常用的激活函数

3.1 Sigmoid函数

3.2 tanh函数

3.3 relu函数

3.4 prelu函数

3.5 softmax函数

4.如何选择合适的激活函数

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1.激活函数的定义

我们看百度百科对激活函数的定义：

激活函数（Activation Function），就是在人工神经网络的神经元上运行的函数，负责将神经元的输入映射到输出端。

激活函数（Activation functions）对于人工神经网络模型去学习、理解非常复杂和非线性的函数来说具有十分重要的作用。它们将非线性特性引入到我们的网络中。

可以看出，激活函数主要的两个特性：

1. 在人工神经网络上运行的函数，既然是一个函数，就能够普通的函数一样使用。
2. 把非线性特性引入网络中，简单说就是激活函数有“掰弯”的能力。能够增强我们关注的特征，减弱不关注的特征。

比如线性函数：f(x)=x+1

 

 

添加一个绝对值的激活函数：|fx|=|x+1|

 

如果把x表示特征，y=x+1表示神经网络的一个处理层，y越大表示特征越明显；

显然，添加绝对值激活函数后，x越小和越大的特征，越被强化。

2.激活函数在神经网络的位置

我们看下激活函数在神经网络中的位置：

激活函数在上一层隐藏层的输出和下一层隐藏层输入之前。经过激活函数之后，上一层隐藏层的输出就被“掰弯”了。

3.常用的激活函数

3.1 Sigmoid函数

Sigmoid 是常用的非线性的激活函数，它的数学形式如下：

图像如下：

 

特点：
它能够把输入的连续实值变换为0和1之间的输出。如果是非常大的负数，那么输出就是0；如果是非常大的正数，输出就是1。可以用来做二分类。
缺点：

1. 在深度神经网络中梯度反向传递时导致梯度爆炸和梯度消失，其中梯度爆炸发生的概率非常小，而梯度消失发生的概率比较大。具体表现为：如果我们初始化神经网络的权值为 [0,1]之间的随机值，由反向传播算法的数学推导可知，梯度从后向前传播时，每传递一层梯度值都会减小为原来的0.25倍，如果神经网络隐层特别多，那么梯度在穿过多层后将变得非常小接近于0，即出现梯度消失现象；当网络权值初始化为 (1,+∞)区间内的值，则会出现梯度爆炸情况。
2. 计算中含有幂运算，求解时比较耗时。对于规模比较大的深度网络，会增加训练时间。
3. Sigmoid 的 output 不是0均值（即zero-centered）。会导致后一层的神经元将得到上一层输出的非0均值的信号作为输入。产生的一个结果就是：如x>0,  f=wTx+b>0, 那么对w求局部梯度则都为正，这样在反向传播的过程中w要么都往正方向更新，要么都往负方向更新，导致有一种捆绑的效果，使得收敛缓慢。

3.2 tanh函数

tanh的数学形式如下：

图像如下：

特点：

1. 解决了在正区间梯度消失的问题
2. 计算速度非常快，只需要判断输入是否大于0
3. 收敛速度远快于sigmoid和tanh

缺点：

1. 输出不是非0均值(zero-centered)
2. 某些神经元（如小于0的特征）可能永远不会被激活，导致相应的参数永远不能被更新。

3.3 relu函数

relu函数是一个取最大值函数，是目前最常用的激活函数，数学形式：

图像如下：

 

特点：

1. 解决了在正区间梯度消失的问题
2. 计算速度非常快，只需要判断输入是否大于0
3. 收敛速度远快于sigmoid和tanh

缺点：

1. 输出不是非0均值(zero-centered)
2. 某些神经元（如小于0的特征）可能永远不会被激活，导致相应的参数永远不能被更新。

3.4 prelu函数

prelu函数是一个缓解relu神经元消亡问题的函数，数学形式：

α表示超参数，一般是取0~1之间的数,这个参数可以通过反向传播学习得到。

图像如下：

 

特点：

 当x>=0是，y=x;当x<0时，y=αx;因此能缓解relu函数神经元死亡的问题，其他特性和relu一样。

3.5 softmax函数

softmax用于多分类神经网络输出，数学形式如下：

即某个分类的概率0<f(x)<1;所有分类的概率之和为1。

4.如何选择合适的激活函数

激活函数的选择要在了解每个激活函数的基础上，结合实际场景和经验得到，但整体会遵循以下原则：

1. 深度学习往往需要大量时间来处理大量数据，模型的收敛速度是非常重要的。所以，总体上，训练深度学习网络尽量使用zero-centered数据 (可以经过数据预处理实现) 和zero-centered输出。所以要尽量选择输出具有zero-centered特点的激活函数以加快模型的收敛速度。
2. 如果使用 relu，要小心设置学习比率，而且不要让网络出现很多未被激活的神经元，如果这个问题不好解决，那么可以试试 prelu。
3. 最好不要用 sigmoid，你可以试试 tanh，不过可以预期它的效果会比不上relu。