激活函数 sigmoid、tanh、relu

激活函数（activation functions）的目标是，将神经网络非线性化。激活函数是连续的（continuous），且可导的（differential）。

• 连续的：当输入值发生较小的改变时，输出值也发生较小的改变；
• 可导的：在定义域中，每一处都是存在导数；

常见的激活函数：sigmoid，tanh，relu。

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sigmoid

sigmoid是平滑（smoothened）的阶梯函数（step function），可导（differentiable）。sigmoid可以将任何值转换为0~1概率，用于二分类。细节可以参考。

公式：

导数：

导数2：

图（红色导函数，蓝色原函数）：

当使用sigmoid作为激活函数时，随着神经网络隐含层（hidden layer）层数的增加，训练误差反而加大。表现为：

1. 靠近输出层的隐含层梯度较大，参数更新速度快，很快就会收敛；
2. 靠近输入层的隐含层梯度较小，参数更新速度慢，几乎和初始状态一样，随机分布；
3. 在含有四个隐藏层的网络结构中，第一层比第四层慢了接近100倍！

这种现象就是梯度弥散（vanishing gradient）。而另一种情况，梯度爆炸（exploding gradient），则是前面层的梯度，通过训练变大，导致后面层的梯度，以指数级增大。

由于sigmoid的导数值小于1/4，x变化的速率要快于y变化的速率，随着层数的增加，连续不断执行sigmoid函数，就会导致，前面更新较大的幅度，后面更新较小的幅度，因此，网络在学习过程中，更倾向于，更新后面（靠近输出层）的参数，而不是前面的参数（靠近输入层）。

sigmoid缺点：

• 激活函数的计算量较大，在反向传播中，当求误差梯度时，求导涉及除法；
• 在反向传播中，容易就会出现梯度消失，无法完成深层网络的训练；
• 函数的敏感区间较短，(-1,1)之间较为敏感，超过区间，则处于饱和状态，

参考1、参考2

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tanh

tanh，即双曲正切（hyperbolic tangent），类似于幅度增大sigmoid，将输入值转换为-1至1之间。tanh的导数取值范围在0至1之间，优于sigmoid的0至1/4，在一定程度上，减轻了梯度消失的问题。tanh的输出和输入能够保持非线性单调上升和下降关系，符合BP（back propagation）网络的梯度求解，容错性好，有界。

公式：

导数：

图（红色导函数，蓝色原函数）：

sigmoid和tanh：

• sigmoid在输入处于[-1,1]之间时，函数值变化敏感，一旦接近或者超出区间就失去敏感性，处于饱和状态，影响神经网络预测的精度值；
• tanh的变化敏感区间较宽，导数值渐进于0、1，符合人脑神经饱和的规律，比sigmoid函数延迟了饱和期；
• tanh在原点附近与y=x函数形式相近，当激活值较低时，可以直接进行矩阵运算，训练相对容易；
• tanh和sigmoid都是全部激活（fire），使得神经网络较重（heavy）。

参考1、参考2、参考3

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relu

relu，即Rectified Linear Unit，整流线性单元，激活部分神经元，增加稀疏性，当x小于0时，输出值为0，当x大于0时，输出值为x.

公式：

图：

导数：

图：

relu对比于sigmoid：

• sigmoid的导数，只有在0附近，具有较好的激活性，而在正负饱和区的梯度都接近于0，会造成梯度弥散；而relu的导数，在大于0时，梯度为常数，不会导致梯度弥散。
• relu函数在负半区的导数为0 ，当神经元激活值进入负半区，梯度就会为0，也就是说，这个神经元不会被训练，即稀疏性；
• 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，涉及到除法；

relu的缺点：

在训练的时候，ReLU单元比较脆弱并且可能“死掉”。举例来说，当一个很大的梯度，流过ReLU的神经元的时候，可能会导致梯度更新到一种特别的状态，在这种状态下神经元将无法被其他任何数据点再次激活。如果这种情况发生，那么从此所以流过这个神经元的梯度将都变成0。也就是说，这个ReLU单元在训练中将不可逆转的死亡，因为这导致了数据多样化的丢失。

如果学习率设置得太高，可能会发现网络中40%的神经元都会死掉（在整个训练集中这些神经元都不会被激活）。通过合理设置学习率，这种情况的发生概率会降低。

在神经网络中，隐含层的激活函数，最好选择ReLU。

关于RNN中为什么选择tanh，而不是relu，参考。

作者：SpikeKing
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