神经网络基础部件-激活函数详解

本文分析了激活函数对于神经网络的必要性，同时讲解了几种常见的激活函数的原理，并给出相关公式、代码和示例图。

一，激活函数概述

1.1，前言

人工神经元(Artificial Neuron)，简称神经元(Neuron)，是构成神经网络的基本单元，其主要是模拟生物神经元的结构和特性，接收一组输入信号并产生输出。生物神经元与人工神经元的对比图如下所示。

从机器学习的角度来看，神经网络其实就是一个非线性模型，其基本组成单元为具有非线性激活函数的神经元，通过大量神经元之间的连接，使得多层神经网络成为一种高度非线性的模型。神经元之间的连接权重就是需要学习的参数，其可以在机器学习的框架下通过梯度下降方法来进行学习。

深度学习一般指的是深度神经网络模型，泛指网络层数在三层或者三层以上的神经网络结构。

1.2，激活函数定义

激活函数（也称“非线性映射函数”），是深度卷积神经网络模型中必不可少的网络层。

假设一个神经元接收 $D$ 个输入 $x_1, x_2,⋯, x_D$，令向量 $x = [x_1;x_2;⋯;x_𝐷]$ 来表示这组输入，并用净输入(Net Input) $z \in \mathbb{R}$ 表示一个神经元所获得的输入信号 $x$ 的加权和:

$$z = \sum_{d=1}^{D} w_{d}x_{d} + b = w^\top x + b$$

其中 $w = [w_1;w_2;⋯;w_𝐷]\in \mathbb{R}^D$ 是 $D$ 维的权重矩阵， $b \in \mathbb{R}$ 是偏置向量。

以上公式其实就是带有偏置项的线性变换（类似于放射变换），本质上还是属于线形模型。为了转换成非线性模型，我们在净输入 $z$ 后添加一个非线性函数 $f$（即激活函数）。

$$a = f(z)$$

由此，典型的神经元结构如下所示:

1.3，激活函数性质

为了增强网络的表示能力和学习能力，激活函数需要具备以下几点性质:

1. 连续并可导(允许少数点上不可导)的非线性函数。可导的激活函数 可以直接利用数值优化的方法来学习网络参数。
2. 激活函数及其导函数要尽可能的简单，有利于提高网络计算效率。
3. 激活函数的导函数的值域要在一个合适的区间内，不能太大也不能太小，否则会影响训练的效率和稳定性.

二，Sigmoid 型函数（挤压型激活函数）

Sigmoid 型函数是指一类 S 型曲线函数，为两端饱和函数。常用的 Sigmoid 型函数有 Logistic 函数和 Tanh 函数。

相关数学知识: 对于函数 $f(x)$，若 $x \to −\infty$ 时，其导数 ${f}'\to 0$，则称其为左饱和。若 $x \to +\infty$ 时，其导数 ${f}'\to 0$，则称其为右饱和。当同时满足左、右饱和时，就称为两端饱和。

2.1，Logistic(sigmoid)函数

对于一个定义域在 $\mathbb{R}$ 中的输入，sigmoid 函数将输入变换为区间 (0, 1) 上的输出。因此，sigmoid 通常称为挤压函数(squashing function): 它将范围 (-inf, inf) 中的任意输入压缩到区间 (0, 1) 中的某个值:

$$\sigma(x) = \frac{1}{1 + exp(-x)}$$

sigmoid 函数常记作 $\sigma(x)$。它的导数公式如下所示:

$$\frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} x}\text{sigmoid}(x) = \frac{exp(-x)}{(1+exp(-x))^2} = \text{sigmoid}(x)(1 - \text{sigmoid}(x))$$

sigmoid 函数及其导数曲线如下所示:

注意，当输入为 0 时，sigmoid 函数的导数达到最大值 0.25; 而输入在任一方向上越远离 0 点时，导数越接近 0。

目前 sigmoid 函数在隐藏层中已经较少使用，原因是 sigmoid 的软饱和性，使得深度神经网络在过去的二三十年里一直难以有效的训练，如今其被更简单、更容易训练的 ReLU 等激活函数所替代。

当我们想要输出二分类或多分类、多标签问题的概率时，sigmoid 可用作模型最后一层的激活函数。下表总结了常见问题类型的最后一层激活和损失函数。

问题类型	最后一层激活	损失函数
二分类问题（binary）	sigmoid	sigmoid + nn.BCELoss(): 模型最后一层需要经过 torch.sigmoid 函数
多分类、单标签问题（Multiclass）	softmax	nn.CrossEntropyLoss(): 无需手动做 softmax
多分类、多标签问题（Multilabel）	sigmoid	sigmoid + nn.BCELoss(): 模型最后一层需要经过 sigmoid 函数

nn.BCEWithLogitsLoss() 函数等效于 sigmoid + nn.BCELoss。

2.2，Tanh 函数

Tanh（双曲正切）函数也是一种 Sigmoid 型函数，可以看作放大并平移的 Sigmoid 函数，公式如下所示：

$$\text{tanh}(x) = 2\sigma(2x) - 1 = \frac{2}{1 + e^{-2x}} - 1$$

利用基本导数公式，可得 Tanh 函数的导数公式（推导过程省略）:

$$\frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} x} \text{tanh}(x) = 1 - \text{tanh}^{2}(x)$$

Logistic 和 Tanh 两种激活函数的实现及可视化代码（复制可直接运行）如下所示:

# example plot for the sigmoid activation function
import numpy as np
from matplotlib import pyplot
import matplotlib.pyplot as plt

# sigmoid activation function
def sigmoid(x):
    """1.0 / (1.0 + exp(-x))
    """
    return 1.0 / (1.0 + np.exp(-x))

def tanh(x):
    """2 * sigmoid(2*x) - 1
    (e^x – e^-x) / (e^x + e^-x)
    """
    # return (exp(x) - exp(-x)) / (exp(x) + exp(-x))
    return 2 * sigmoid(2*x) - 1

def relu(x):
    return max(0.0, x)

def gradient_relu(x):
    """1 * (x > 0)"""
    if x < 0.0:
        return 0
    else:
        return 1

def gradient_sigmoid(x):
    """sigmoid(x)(1−sigmoid(x))
    """
    a = sigmoid(x)
    b = 1 - a
    return a*b

def gradient_tanh(x):
    return 1 - tanh(x)**2

# 1, define input data
inputs = [x for x in range(-8, 9)]

# 2, calculate outputs
outputs = [sigmoid(x) for x in inputs]
outputs2 = [tanh(x) for x in inputs]

# 3, plot sigmoid and tanh function curve
plt.figure(dpi=100) # dpi 设置
plt.style.use('ggplot') # 主题设置

plt.plot(inputs, outputs, label='sigmoid')
plt.plot(inputs, outputs2, label='tanh')

plt.xlabel("x") # 设置 x 轴标签
plt.ylabel("y")
plt.title('sigmoid and tanh') # 折线图标题
plt.legend()
plt.show()

程序运行后得到的 Sigmoid 和 Tanh 函数曲线。如下图所示:

以上代码的基础上，改下 plt.plot 函数的输入数据，同样可得到 Tanh 函数及其导数曲线图:

可以看出 Sigmoid 和 Tanh 函数在输入很大或是很小的时候，输出都几乎平滑且梯度很小趋近于 0，不利于权重更新；不同的是 Tanh 函数的输出区间是在 (-1,1) 之间，而且整个函数是以 0 为中心的，即他本身是零均值的，也就是说，在前向传播过程中，输入数据的均值并不会发生改变，这就使他在很多应用中效果能比 Sigmoid 优异一些。

Tanh 函数优缺点总结：

• 具有 Sigmoid 的所有优点。
• exp 指数计算代价大。梯度消失问题仍然存在。

Tanh 函数及其导数曲线如下所示:

Tanh 和 Logistic 函数的导数很类似，都有以下特点:

• 当输入接近 0 时，导数接近最大值 1。
• 输入在任一方向上越远离0点，导数越接近0。

三，ReLU 函数及其变体（半线性激活函数）

3.1，ReLU 函数

ReLU(Rectified Linear Unit，修正线性单元)，是目前深度神经网络中最经常使用的激活函数，它保留了类似 step 那样的生物学神经元机制: 输入超过阈值才会激发。公式如下所示:

$$ReLU(x) = max(0, x) = \left \lbrace \begin{matrix} x & x\geq 0 \\ 0 & x< 0 \end{matrix}\right.$$

以上公式通俗理解就是，ReLU 函数仅保留正元素并丢弃所有负元素。注意: 虽然在 0 点不能求导，但是并不影响其在以梯度为主的反向传播算法中发挥有效作用。

1，优点:

• ReLU 激活函数计算简单；
• 具有很好的稀疏性，大约 50% 的神经元会处于激活状态。
• 函数在 x > 0 时导数为 1 的性质（左饱和函数），在一定程度上缓解了神经网络的梯度消失问题，加速梯度下降的收敛速度。

相关生物知识: 人脑中在同一时刻大概只有 1% ∼ 4% 的神经元处于活跃状态。

2，缺点:

• ReLU 函数的输出是非零中心化的，给后一层的神经网络引入偏置偏移，会影响梯度下降的效率。
• ReLU 神经元在训练时比较容易“死亡”。如果神经元参数值在一次不恰当的更新后，其值小于 0，那么这个神经元自身参数的梯度永远都会是 0，在以后的训练过程中永远不能被激活，这种现象被称作“死区”。

ReLU 激活函数的代码定义如下:

# pytorch 框架对应函数： nn.ReLU(inplace=True)
class ReLU(object):

    def func(self, x):
        return np.maximum(x, 0.0)

    def derivative(self, x):
        """简单写法: return x > 0.0"""
        da = np.array([1 if x > 0 else 0 for x in a])
        return da     

ReLU 激活函数及其函数梯度图如下所示:

ReLU 激活函数的更多内容，请参考原论文 Rectified Linear Units Improve Restricted Boltzmann Machines

3.2，Leaky ReLU/PReLU/ELU/Softplus 函数

1，Leaky ReLU 函数: 为了缓解“死区”现象，研究者将 ReLU 函数中 x < 0 的部分调整为 $\gamma \cdot x$， 其中 $\gamma$ 常设置为 0.01 或 0.001 数量级的较小正数。这种新型的激活函数被称作带泄露的 ReLU（Leaky ReLU）。

$$\text{Leaky ReLU}(x) = max(0, 𝑥) + \gamma\ min(0, x) = \left \lbrace \begin{matrix} x & x\geq 0 \\ \gamma \cdot x & x< 0 \end{matrix}\right.$$

详情可以参考原论文:《Rectifier Nonlinearities Improve Neural Network Acoustic Models》

2，PReLU 函数: 为了解决 Leaky ReLU 中超参数 $\gamma$ 不易设定的问题，有研究者提出了参数化 ReLU(Parametric ReLU，PReLU)。参数化 ReLU 直接将 $\gamma$ 也作为一个网络中可学习的变量融入模型的整体训练过程。对于第 $i$ 个神经元，PReLU 的 定义为:

$$\text{Leaky ReLU}(x) = max(0, 𝑥) + \gamma_{i}\ min(0, x) = \left\lbrace\begin{matrix} x & x\geq 0 \\ \gamma_{i} \cdot x & x< 0 \end{matrix}\right.$$

详情可以参考原论文:《Delving Deep into Rectifiers: Surpassing Human-Level Performance on ImageNet Classification》

3，ELU 函数: 2016 年，Clevert 等人提出的 ELU (Exponential Linear Units) 在小于零的部分采用了负指数形式。ELU 有很多优点，一方面作为非饱和激活函数，它在所有点上都是连续的和可微的，所以不会遇到梯度爆炸或消失的问题；另一方面，与其他线性非饱和激活函数（如 ReLU 及其变体）相比，它有着更快的训练时间和更高的准确性。

但是，与 ReLU 及其变体相比，其指数操作也增加了计算量，即模型推理时 ELU 的性能会比 ReLU 及其变体慢。 ELU 定义如下:

$$\text{Leaky ReLU}(x) = max(0, 𝑥) + min(0, \gamma(exp(x) - 1) = \left\lbrace\begin{matrix} x & x\geq 0 \\ \gamma(exp(x) - 1) & x< 0 \end{matrix}\right.$$

$\gamma ≥ 0$ 是一个超参数，决定 $x ≤ 0$ 时的饱和曲线，并调整输出均值在 0 附近。

详情可以参考原论文:《Fast and Accurate Deep Network Learning by Exponential Linear Units (ELUs)》

4，Softplus 函数: Softplus 函数其导数刚好是 Logistic 函数.Softplus 函数虽然也具有单侧抑制、宽 兴奋边界的特性，却没有稀疏激活性。Softplus 定义为:

$$\text{Softplus}(x) = log(1 + exp(x))$$

对 Softplus 有兴趣的可以阅读这篇论文: 《Deep Sparse Rectifier Neural Networks》。

注意: ReLU 函数变体有很多，但是实际模型当中使用最多的还是 ReLU 函数本身。

ReLU、Leaky ReLU、ELU 以及 Softplus 函数示意图如下图所示:

四，Swish 函数

Swish 函数[Ramachandran et al., 2017] 是一种自门控(Self-Gated)激活 函数，定义为

$$\text{swish}(x) = x\sigma(\beta x)$$

其中 $\sigma(\cdot)$ 为 Logistic 函数， $\beta$ 为可学习的参数或一个固定超参数。 $\sigma(\cdot) \in (0, 1)$ 可以看作一种软性的门控机制。当 $\sigma(\beta x)$ 接近于 1 时，门处于“开”状态，激活函数的输出近似于 $x$ 本身；当 $\sigma(\beta x)$ 接近于 0 时，门的状态为“关”，激活函数的输出近似于 0。

Swish 函数代码定义如下：

# Swish https://arxiv.org/pdf/1905.02244.pdf
class Swish(nn.Module):  #Swish激活函数
    @staticmethod
    def forward(x, beta = 1): # 此处beta默认定为1
        return x * torch.sigmoid(beta*x)

结合前面的画曲线代码，可得 Swish 函数的示例图：

Swish 函数可以看作线性函数和 ReLU 函数之间的非线性插值函数，其程度由参数 $\beta$ 控制。

五，激活函数总结

常用的激活函数包括 ReLU 函数、sigmoid 函数和 tanh 函数。其标准代码总结如下（Pytorch 框架中会更复杂）

from math import exp

class Sigmoid(object):

    def func(self, x):
        return 1.0 / (1.0 + np.exp(-x))

    def derivative(self, x):
        return self.func(x) * (1.0 - self.func(x))

class Tanh(object):

    def func(self, x):
        return np.tanh(x)

    def derivative(self, x):
        return 1.0 - self.func(x) ** 2
    
class ReLU(object):

    def func(self, x):
        return np.maximum(x, 0.0)

    def derivative(self, x):
        return x > 0.0

class LeakyReLU(object):

    def __init__(self, alpha=0.2):
        super().__init__()
        self.alpha = alpha

    def func(self, x):
        return np.array([x if x > 0 else self.alpha * x for x in z])

    def derivative(self, x):
        dx = np.array([1 if x > 0 else self.alpha for x in a])
        return dx

class Softplus(object):

    def func(self, x):
        return np.log(1 + np.exp(z))

    def derivative(self, x):
        return 1.0 / (1.0 + np.exp(-x))

下表汇总比较了几个激活函数的属性:

激活函数的在线可视化移步 Visualising Activation Functions in Neural Networks。

参考资料

1. Pytorch分类问题中的交叉熵损失函数使用
2. 《解析卷积神经网络-第8章》
3. 《神经网络与深度学习-第4章》
4. How to Choose an Activation Function for Deep Learning
5. 深度学习中的激活函数汇总
6. Visualising Activation Functions in Neural Networks
7. AI-EDU: 挤压型激活函数
8. https://github.com/borgwang/tinynn/blob/master/tinynn/core/layer.py