详解softmax和sigmoid

激活函数简介

从事或对人工智能行业有了解的人员来说,相信对softmax和sigmoid这两个激活函数并不陌生,这两个激活函数实不仅在逻辑回归有应用,也是在面试或笔试中包含的内容,掌握好这两个激活函数及其衍生函数是很重要也是最基础的。下面详细介绍softmax和sigmoid:

softmax函数

在数学上,softmax函数又称归一化指数函数,是逻辑函数的一种推广。它能将一个喊任意实数的k维的向量z的“压缩”到两一个k维向量σ(z) 中,使得每一个元素的范围都在(0, 1)之间,并且所有元素和为1。

softmax函数的性质

softmax函数的公式是:
F ( x i ) = e x p ( x i ) ∑ i = 0 k e x p ( x i ) ( i = 0 , 1 , 2 , . . . k ) F(x_i)=\frac {exp(x_i) } {\sum_{i=0}^k{exp(x_i)}} (i = 0,1,2,...k ) F(xi)=i=0kexp(xi)exp(xi)i=0,1,2,...k
  x:输入数据;
  exp:指数运算;
  f(x):函数输出;
  将所有的x值映射到0到1区间内;
 所有x的映射值的和等于1。

softmax函数的使用

  • 用于多重分类逻辑回归模型。
  • 在构建神经网络时,在不同的层使用softmax函数;softmax在神经网络中是作为一个全连接层出现的,功能是将网络计算后的结果映射到(0, 1)区间,给出每种分类的概率。

softmax的实现代码

python实现

import numpy as np

def softmax(x):
    orig_shape=x.shape
    #根据输入类型是矩阵还是向量分别做softmax
    if len(x.shape)>1:
        #矩阵
        #找到每一行的最大值max,并减去该max值,目的是为了防止exp溢出
        constant_shift=np.max(x,axis=1).reshape(1,-1)
        x-=constant_shift
        #计算exp
        x=np.exp(x)
        #每行求和
        normlize=np.sum(x,axis=1).reshape(1,-1)
        #求softmax
        x/=normlize
    else:
        #向量
        constant_shift=np.max(x)
        x-=constant_shift
        x=np.exp(x)
        normlize=np.sum(x)
        x/=normlize
    assert x.shape==orig_shape
    return x

softmax函数图像

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
def softmax(x):
    orig_shape=x.shape
    if len(x.shape)>1:
        constant_shift=np.max(x,axis=1).reshape(1,-1)
        x-=constant_shift
        x=np.exp(x)
        normlize=np.sum(x,axis=1).reshape(1,-1)
        x/=normlize
    else:
        constant_shift=np.max(x)
        x-=constant_shift
        x=np.exp(x)
        normlize=np.sum(x)
        x/=normlize
    assert x.shape==orig_shape
    return x

softmax_inputs = np.arange(0,5)
softmax_outputs=softmax(softmax_inputs)
print("softmax input:: {}".format(softmax_inputs))
print("softmax output:: {}".format(softmax_outputs))
# 画图像
plt.plot(softmax_inputs,softmax_outputs)
plt.xlabel("Softmax Inputs")
plt.ylabel("Softmax Outputs")
plt.show()

在这里插入图片描述
从图中可以看出softmax的输入值越大,它的输出值也越大。

sigmoid函数

sigmoid函数是一个生物学上常见的S型函数,也称为S型生长曲线。在sigmoid函数常被用作神经网络的阈值函数,将变量映射到0,1之间。

sigmoid函数的性质

sigmoid函数的公式是:
F ( x ) = 1 1 + e x p ( − x ) F(x)= \frac{1} {1+exp(-x)} F(x)=1+exp(x)1
  x:输入数据;
  exp:指数运算;
  f(x):函数输出,为浮点数;

sigmoid函数的使用

  • Sigmoid函数用于逻辑回归模型中的二进制分类。
  • 在神经网络中,sigmoid函数用作激活函数。
  • 在统计学中,S形函数图像是常见的累积分布函数。

sigmoid的实现代码

python实现

import numpy as np
def sigmoid(x):
    return 1.0/(1+np.exp(-x))

sigmoid函数绘图

def sigmoid(x):
    return 1.0/(1+np.exp(-x))

sigmoid_inputs = np.arange(-10,10)
sigmoid_outputs=sigmoid(sigmoid(sigmoid_inputs))
print("sigmoid Input :: {}".format(sigmoid_inputs))
print("sigmoid Output :: {}".format(sigmoid_outputs))

plt.plot(sigmoid_inputs,sigmoid_outputs)
plt.xlabel("Sigmoid Inputs")
plt.ylabel("Sigmoid Outputs")
plt.show()

在这里插入图片描述

softmax和sigmoid的对比

commonsoftmaxsigmoid
公式 F ( x i ) = e x p ( x i ) ∑ i = 0 k e x p ( x i ) F(x_i)=\frac {exp(x_i) } {\sum_{i=0}^k{exp(x_i)}} F(xi)=i=0kexp(xi)exp(xi) F ( x ) = 1 1 + e x p ( − x ) F(x)= \frac{1} {1+exp(-x)} F(x)=1+exp(x)1
本质离散概率分布非线性映射
任务多分类二分类
定义域某个一维向量单个数值
值域[0, 1](0, 1)
结果之和一定为1为某个正数
### sigmoid、ReLU softmax 函数详解及应用场景 #### sigmoid 函数 sigmoid 函数是一种常用的激活函数,其表达式为: \[ \sigma(x) = \frac{1}{1 + e^{-x}} \] 此函数会将输入值映射到 (0, 1) 范围内[^4]。这种特性使其特别适用于二分类问题,在此类场景下,输出可视为事件发生的概率。 对于神经网络而言,当数据通过多个层次传递时,如果采用的是具有饱区间的激活器(比如 Sigmoid),那么可能会遇到梯度消失的问题;即在网络较深的时候,参数更新变得极其缓慢甚至停滞不前[^1]。 #### ReLU 函数 ReLU(Rectified Linear Unit)定义如下: ```python def relu(x): return max(0, x) ``` 相比于传统的 Sigmoid 或 Tanh 激活方式,ReLU 提供了一个非线性的解决方案,并且能够有效缓解梯度弥散现象的发生。具体来说,只要输入大于零,则导数值恒等于一,从而保证了信号能顺利传导至后续节点而不至于过分衰减[^3]。 此外,ReLU 还具备计算简单的优势,这不仅加快了训练速度而且减少了内存占用量。不过值得注意的是,尽管 ReLU 解决了很多传统方法中存在的难题,但它也并非完美无缺——例如“死区”问题可能导致某些单元永远失去活性。 #### Softmax 函数 Softmax 函数通常应用于多类别分类任务之中。给定一组未标准化的预测得分 z=[z_1,...,z_k], Softmax 可以将其转换成一个合法的概率分布 p=[p_1,...,p_k]: \[ p_i=\frac{\exp(z_i)}{\sum_{j=1}^{k}\exp(z_j)}, i\in\{1,\ldots,k\}. \] 这里每一个 \(p_i\) 都位于开区间 (0, 1),并且所有分量之恰好等于 1。因此,Softmax 输出可以直接理解为各个类别的条件概率估计[^2]。 更重要的是,相较于其他类型的激活机制,Softmax 更有利于维持良好的梯度流动状况,进而促进整个系统的稳定收敛过程。
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