深度学习笔记（二）：激活函数的前世今生

一、激活函数的前世今生

早在1958 年，美国心理学家 Frank Rosenblatt 就提出了第一个可以自动学习权重的神经元模型，称为感知机。它的模型如下：

从图中可以看出，他使用的是一个简单的一层网络，其中激活函数是阶跃函数（这也是最早使用的激活函数）。
于是这个感知机模型的公式可表示为：

其中的激活函数可表示为：

也就是说，当wx+b<0时，令输出为0，代表类别0；当wx+b>=0时，令输出为1，代表类别1。然后通过感知机收敛算法一步步迭代，优化参数w和b，最终实现了最原始的二分类模型。

于是有些同学会问，为什么不是用梯度下降算法呢？？

对，熟悉人工智能历史的同学肯定知道，那时候反向传播算法都还没有提出，肯定不会有梯度下降的说法。那为什么聪明的 Frank没有想到梯度下降呢？

其实这里有一个不可抗力的原因。而这个原因和激活函数密切相关！在当时，最常用的激活函数不外乎：阶跃函数和符号函数，我们来直观地看一下它们的函数图：

左边是阶跃函数，右边是符号函数。这两个函数有一个共通的特点：在 z=0处是不连续的，其他位置导数为 0，这就使得无法利用梯度下降算法进行参数优化。

注：梯度都为0了，梯度下降自然就无效了，这也是后面要说到的梯度弥散现象。

感知机模型的不可导特性严重约束了它的潜力，使得它只能解决极其简单的任务。所以现代深度学习，在感知机的基础上，将不连续的阶跃激活函数换成了其它平滑连续激活函数，使得模型具有可导性。实际上，现代大规模深度学习的核心结构与感知机并没有多大差别，只是通过堆叠多层网络层来增强网络的表达能力。

那么，下面将主要介绍现在最常用的一些平滑连续激活函数

二、不得不知的激活函数

1. Sigmoid

Sigmoid 函数也叫 Logistic 函数，定义为：

如下图所示，Sigmoid 函数连续可导，其值域为(0, 1)，相对于阶跃函数，可以直接利用梯度下降算法优化网络参数，应用的非常广泛。

作为激活函数，将输入映射到0~1，因此可以通过 Sigmoid 函数将输出转译为概率输出，常用于表示分类问题的事件概率。

对S(x)求导：

导数性质：在输入x=0时，导数最大为0.25；当输入为正负无穷时，梯度趋于0，会发生梯度弥散。
优点：平滑、易于求导
缺点：指数级计算，计算量大；容易出现梯度弥散的情况。

2. Tanh

Tanh函数，即双曲正切函数，其定义为：

可以看到 tanh 激活函数可通过 Sigmoid 函数缩放平移后实现，函数曲线如下图:：

Tanh 函数能够将输入x映射到[−1,1]区间。是Sigmoid函数的改进版，输出有正有负，是以0为中心的对称函数，收敛速度快，不容易出现loss值震荡。但是无法解决梯度弥散问题，同时计算量也大。

3. ReLU

在 ReLU(REctified Linear Unit，修正线性单元)激活函数提出之前，Sigmoid 函数通常是神经网络的激活函数首选。但是 Sigmoid 函数在输入值较大或较小时容易出现梯度弥散现象，网络参数长时间得不到更新，很难训练较深层次的网络模型。2012 年提出的 8 层 AlexNet 采用了一种名叫 ReLU 的激活函数，使得网络层数达到了 8 层。ReLU 函数定义为：ReLU(x) = max(0, x)

ReLU 对小于 0 的值全部抑制为 0；对于正数则直接输出，这种单边抑制特性来源于生物学。其函数曲线如下：

优点：
(1) 使训练快速收敛，解决了梯度弥散。在信息传递的过程中，大于0的部分梯度总是为1。
(2) 稀疏性：模拟神经元的激活率是很低的这一特性；ReLU的输入在大于0时才能传播信息，正是这样的稀疏性提高了网络的性能。

缺点：在输入小于0的时候，即使有很大的梯度传播过来也会戛然而止。

ReLU 函数的设计源自神经科学，计算十分简单，同时有着优良的梯度特性，在大量的深度学习应用中被验证非常有效，是应用最广泛的激活函数之一。

4. Leaky ReLU

ReLU 函数在输入x < 0时梯度值恒为 0，也可能会造成梯度弥散现象，为了克服这个问题，提出了Leaky ReLU，定义如下：

其中p为用户自行设置的某较小数值的超参数，如 0.02 等。当p = 0时，LeayReLU 函数退化为 ReLU 函数。当p ≠ 0时，x < 0能够获得较小的梯度值，从而避免了梯度弥散。函数曲线如下：

5. Softmax

Softmax 函数定义：

Softmax 函数不仅可以将输出值映射到[0,1]区间，还满足所有的输出值之和为 1 的特性。如下图的例子，输出层的输出为[2.,1.,0.1]，经过 Softmax 函数计算后，得到输出为[0.7,0.2,0.1]，可以看到每个值代表了当前样本属于每个类别的概率，概率值之和为 1。

通过 Softmax 函数可以将输出层的输出转译为类别概率，在多分类问题中使用的非常频繁。

另外，在softmax函数多分类问题中，若损失函数选用交叉熵，则下降梯度计算起来将会非常方便，使得网络训练过程中的迭代计算复杂度大大降低。

6. Softplus

函数定义为：$f(x)=ln(1+e^x)$，值域为（0，+无穷），其图像如下图所示：

softplus可以看作是ReLu的平滑。根据神经科学家的相关研究，softplus和ReLu与脑神经元激活频率函数有神似的地方。也就 是说，相比于早期的激活函数，softplus和ReLU更加接近脑神经元的激活模型。

7. Mish

在YOLOv3中，每个卷积层之后包含一个批量归一化层和一个Leaky ReLU。而在YOLOv4的主干网络CSPDarknet53中，使用Mish代替了原来的Leaky ReLU。Leaky ReLU和Mish激活函数的公式与图像如下：

常见的激活函数总结：

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