深度学习中梯度消失原因、梯度爆炸及解决方案

梯度消失产生的原因

梯度消失产生的主要原因有：一是使用了深层网络，二是采用了不合适的损失函数。

（1）目前优化神经网络的方法都是基于BP，即根据损失函数计算的误差通过梯度反向传播的方式，指导深度网络权值的更新优化。其中将误差从末层往前传递的过程需要链式法则（Chain Rule）的帮助。而链式法则是一个连乘的形式，所以当层数越深的时候，梯度将以指数形式传播。梯度消失问题一般随着网络层数的增加会变得越来越明显。在根据损失函数计算的误差通过梯度反向传播的方式对深度网络权值进行更新时，得到的梯度值接近0，也就是梯度消失。

（2）计算权值更新信息的时候需要计算前层偏导信息，因此如果激活函数选择不合适，比如使用sigmoid，梯度消失就会很明显，原因如果使用sigmoid作为损失函数，其梯度是不可能超过0.25的，这样经过链式求导之后，很容易发生梯度消失。

梯度爆炸产生的原因

梯度爆炸产生的主要原因有：一是使用了深层网络，二是采用了不合适的损失函数。
梯度爆炸和梯度消失恰好相反，在根据损失函数计算的误差通过梯度反向传播的方式对深度网络权值进行更新时，得到的梯度值变为NAN，也就是梯度爆炸。

解决办法

梯度消失

（1）pre-training+fine-tunning

此方法来自Hinton在2006年发表的一篇论文，Hinton为了解决梯度的问题，提出采取无监督逐层训练方法，其基本思想是每次训练一层隐节点，训练时将上一层隐节点的输出作为输入，而本层隐节点的输出作为下一层隐节点的输入，此过程就是逐层“预训练”（pre-training）；在预训练完成后，再对整个网络进行“微调”（fine-tunning）。此思想相当于是先寻找局部最优，然后整合起来寻找全局最优，此方法有一定的好处，但是目前应用的不是很多了。

（2） 选择relu等梯度大部分落在常数上的激活函数

relu函数的导数在正数部分是恒等于1的，因此在深层网络中使用relu激活函数就不会导致梯度消失的问题。

（3）batch normalization

BN就是通过对每一层的输出规范为均值和方差一致的方法，消除了权重参数放大缩小带来的影响，进而解决梯度消失的问题，或者可以理解为BN将输出从饱和区拉到了非饱和区。

（4） 残差网络的捷径（shortcut）

相比较于之前的网络结构，残差网络中有很多跨层连接结构（shortcut），这样的结构在反向传播时多了反向传播的路径，可以一定程度上解决梯度消失的问题。

（5）LSTM的“门（gate）”结构

LSTM全称是长短期记忆网络（long-short term memory networks），LSTM的结构设计可以改善RNN中的梯度消失的问题。主要原因在于LSTM内部复杂的“门”(gates)，LSTM通过它内部的“门”可以在更新的时候“记住”前几次训练的”残留记忆“。

梯度爆炸

（1）pre-training + fine-tunning

（2）Relu、leaky Relu…

（3）BN

（4）残差网络

（5）LSTM的门结构

（6）重新设计网络模型

（7）梯度阶段

（8）权重正则化