【自然语言处理】P4 神经网络基础 - 激活函数

本节博文介绍四大激活函数，Sigmoid、Tanh、ReLU、Softmax。

激活函数

为什么深度学习需要激活函数？

博主认为，最重要的是 引入非线性。

神经网络是将众多神经元相互连接形成的网络。如果神经元没有激活函数，那么网络模型都将退化成为线性模型，从而失去了处理非线性问题的能力。非线性问题，如视觉识别、语音识别、图像识别等等。

当神经网络具有处理非线性的能力后，将会提高模型的 表达能力 以及 泛化能力：神经网络能够更有效地学习数据中的复杂模式和函数关系，更好地学习数据的通用特征，从而提高模型在数据上的表达能力和泛化能力。

此外，激活函数还可 提高训练效率，如 ReLU 因为在计算梯度时更为简单快速，可以加速神经网络的训练过程；确保网络的稳定性，防止梯度消失或爆炸等问题。

下面，博文将依次介绍四个激活函数以及其特征。

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Sigmoid

Sigmoid 函数将任意实数 x 映射到 (0, 1) 区间内。数学上，Sigmoid 函数表示为：
$$f(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$$

Python Sigmoid 激活函数实现与绘图：

import torch
import matplotlib.pyplot as plt

x = torch.range(-5., 5., 0.1)
y = torch.sigmoid(x)
plt.plot(x.numpy(), y.numpy())
plt.show()

Sigmoid 函数的一些优点包括：

1. 输出范围限定在 (0, 1) 之间，便于表示概率；
2. 函数是连续可微的，有利于梯度的计算；
3. 在二分类问题中，可以将输出值直接解读为概率。

Sigmoid 函数的一些缺点包括：

1. 当输入值接近极值时，梯度会变得非常小，导致梯度消失问题，影响深层网络的训练；
2. 计算量相对较大，尤其对于大规模数据集和深层网络。

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Tanh

Tanh 激活函数是 Sigmoid 函数的一个变体，tanh 的函数表达式如下：
$$f(x)=tanh(x)=\frac{e^x-e^{-x}}{e^x+e^{-x}}$$

Python Tanh 激活函数实现与绘图：

import torch
import matplotlib.pyplot as plt

x = torch.range(-5., 5., 0.1)
y = torch.tanh(x)
plt.plot(x.numpy(), y.numpy())
plt.show()

Tanh 激活函数有两个优点：

1. Tanh 的输出范围为 (-1, 1)，相比 sigmoid 函数的 (0, 1) 范围更广，从而使得网络可以更容易地处理梯度消失地问题；
2. Tanh 在原点处的梯度为1，有助于神经网络训练过程。

Tanh 激活函数的不足：

1. 当输入值很大或者很小时，Tanh 函数的梯度会变得很小，会导致训练过程中梯度消失。

在实际应用中，Tanh 函数通常用于隐藏层，而不是输出层。如果网络的输出层需要输出概率值，通常会使用 Softmax 函数而不是 Tanh。

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ReLU

ReLU 激活函数是深度学习领域应用极其广泛的一种非线性激活函数。ReLU 的地位极其高，许多在深度学习领域的创新都是基于其。ReLU 函数表达式很简单，为：
$$f(x)=max(0,x)$$

Python ReLU 激活函数的实现与绘图：

import torch
import matplotlib.pyplot as plt

relu = torch.nn.ReLU()
x = torch.range(-5., 5., 0.1)
y = relu(x)

plt.plot(x.numpy(), y.numpy())
plt.show()

ReLU 激活函数的优点：

1. 计算效率高，由于 ReLU 函数的简单性，其计算速度非常快，这使得其成为训练深度神经网络的首选激活函数；
2. 缓解梯度消失问题：在传统的 Sigmoid 以及 Tanh 激活函数中，当输入值很大时，梯度会变得非常小，导致梯度消失问题。而 ReLU 激活函数在输入大于零时，梯度始终为 1，这大大减少了梯度消失的问题，使得反向传播更加有效；
3. 稀疏性：ReLU 激活函数的性质使得只有少数的神经元会被激活，这对降低模型的复杂性和提高计算的效率有很大帮助；

ReLU 激活函数的缺点：

1. ReLU 梯度“Death”：当输入值小于零时，对应的神经元将不会更新权重，因为梯度为零。在某些情况下，这可能会导致网络性能下降；
2. Leaky ReLU 变体：为了解决 ReLU 梯度"Death" 现象，研究者提出 Leaky ReLU。其在负区间引入了一个小的斜率，这样即使输入是负的，也不会导致梯度为零。

Python Leaky ReLU 激活函数的实现与绘图：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 定义PReLU函数
def prelu(x, alpha):
    return np.maximum(0, x) + alpha * np.minimum(0, x)

# 设置输入值的范围
x = np.linspace(-10, 10, 100)

# 创建一个α值的列表，例如对于每个输入通道α可以是不同的
alphas = [0.1, 0.5, 1.0, 2.0]

# 绘制PReLU函数的图像
for alpha in alphas:
    y = prelu(x, alpha)
    plt.plot(x, y, label=f'α={alpha}')

# 添加图例
plt.legend()

# 显示图像
plt.show()

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Softmax

Softmax 激活函数可以定义为一个指数函数的归一化形式。假设神经网络的输出是一个 K 维的实数向量，$z=[z_1,z_2,...,z_k]$，Softmax 激活函数将向量转换为一个概率分布向量，其中公式为：
$$softmax(z_i)=\frac{e^{z_i}}{{\sum }_{j=1}^K{e}^{z_j}}$$

其中 $e^{z_i}$ 是 $z_i$ 的指数，分母是所有指数的和。

Softmax 激活函数的特点：

1. 概率分布：激活函数将输入向量的每个函数转化为一个概率值，表示输入属于对应类型的概率；
2. 非负性：Softmax 激活函数的输出对于所有的输入都是非负的；
3. 归一化：所有概率值的总和等于1，满足了概率分布的规范性要求；

Python Softmax 激活函数的实现：

# 方法一：通过 torch.nn 实现：
import torch.nn as nn

softmax = nn.Softmax(dim=1)
x = ...
y = softmax(x)

# 方法二：自己写函数：
def softmax(z):
    # 防止指数运算时溢出，通过减去每行的最大值来进行数值稳定化
    e_z = np.exp(z - np.max(z, axis=-1, keepdims=True))
    return e_z / np.sum(e_z, axis=-1, keepdims=True)

Softmax 激活函数的优点：

1. 优化梯度：Softmax 基于指数函数，所以其导数就是其本身。这使得 Softmax 在反向传播时更好地保持梯度信息，缓解梯度消失的问题。

Softmax 激活函数的缺点：

1. 计算复杂性：明显，Softmax 激活函数计算相当复杂，这意味着模型输出层需要存储和计算更多的参数，导致内存占用增加；
2. 训练效率：虽然 Softmax 的梯度计算相对简单，但是在反向传播过程中，由于需要计算概率分布，可能会导致训练效率的降低，尤其是在处理大量数据时；
3. 局部最优：在某些情况下，Softmax 可能会导致模型陷入局部最优。

Softmax 激活函数由于其概率解释性和在多分类问题中的有效性，其虽然存在诸多潜在的缺点，但仍然是深度学习和机器学习领域广泛使用的一种激活函数。

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以上便是四种激活函数的简要介绍。
如有任何疑问，欢迎读者前来探讨！
谢谢！
2024年2月4日