深度学习笔记——优化算法、激活函数

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大家好，这里是好评笔记，公主号：Goodnote，专栏文章私信限时Free。本笔记介绍深度学习中常见的优化算法、激活函数。

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文章目录

优化算法
激活函数
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- 机器学习

优化算法

在深度学习中，优化算法用于调整模型的参数（如权重和偏置）以最小化损失函数。

方法

梯度下降 (Gradient Descent, GD)

简介：
梯度下降是最基本的优化算法，通过计算损失函数相对于模型参数的梯度，沿着梯度下降的方向更新参数，以最小化损失函数。

批量梯度下降（Batch Gradient Descent）：在每次迭代中使用整个训练集计算梯度，计算开销大但收敛稳定。
随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent, SGD）：每次迭代只使用一个样本计算梯度，效率高，但容易在训练中产生波动。
小批量梯度下降（Mini-batch Gradient Descent）：在每次迭代中使用一小部分训练集进行梯度计算，平衡了批量梯度下降和随机梯度下降的优缺点。

公式：
$\theta_{t + 1}=\theta_{t}-\eta \nabla_{\theta} J(\theta_{t})$

其中：
- $\theta_{t}$ 表示当前模型的参数，
- $\eta$ 是学习率（也称为步长），
- $\nabla_{\theta} J(\theta_{t})$ 是参数 $\theta_{t}$ 对于损失函数 $J(\theta_{t})$ 的梯度。

优点：

简单直观：梯度下降的原理简单，计算损失函数的梯度，沿着梯度最速下降方向进行优化。
广泛适用：梯度下降可以应用于各种类型的机器学习问题，包括线性回归、逻辑回归和神经网络等。在许多优化问题中，梯度下降是基本的选择，适用范围广泛。
可扩展性强：梯度下降可以在不同的规模和复杂度下使用。通过调整批量大小（如批量梯度下降、随机梯度下降、小批量梯度下降），可以适应不同数据集的规模。
良好的收敛性：对于凸优化问题，梯度下降可以保证收敛到全局最优解。而在非凸问题中，梯度下降也能找到局部最优解，具有良好的泛化能力。

缺点：

收敛速度慢：梯度下降尤其是批量梯度下降（Batch Gradient Descent），收敛速度慢。在大型数据集上，批量梯度下降的效率较低。
容易陷入局部最优：在非凸优化问题中，梯度下降容易陷入局部最优解。
对学习率敏感：梯度下降依赖于超参数学习率(learning rate) 的选择。如果学习率太小，收敛速度非常慢；如果学习率太大，梯度下降可能无法收敛，甚至在训练过程中发散。
梯度消失或梯度爆炸问题：在深层神经网络中，由于链式法则，梯度值会在反向传播时逐层累积，容易导致梯度消失或梯度爆炸问题，导致网络训练不稳定或无法更新参数。

适用场景：

适用于数据量较大的场景，如深度学习中的大规模数据训练。

动量法 (Momentum)

简介：
动量法是对GD的改进，它在更新参数时不仅考虑当前的梯度还考虑前几次的梯度。这样就像给参数加上“惯性” ，从而避免震荡。

公式：

$v_{t + 1}=\beta v_{t}+(1 - \beta)\nabla_{\theta} J(\theta_{t})$
$\theta_{t + 1}=\theta_{t}-\eta v_{t + 1}$

其中：
- $v_{t}$ 是动量，表示历史梯度的加权平均，
- $\beta$ 是动量系数，通常设定为接近1（例如0.9），
- $\eta$ 是学习率，控制更新步长。

优点：

更快的收敛速度：由于动量的存在，它可以在损失函数的谷底处快速收敛。
减少震荡：动量法在梯度方向上能够更稳健，减少梯度震荡现象。

缺点：

需要调节动量系数：动量的超参数（通常设为0.9左右）需要精心调节，使用不当可能导致训练失效。

适用场景：

适用于数据噪声较多或梯度震荡较大的场景，如深度神经网络中使用的卷积层。

AdaGrad (Adaptive Gradient Algorithm)

简介：
AdaGrad是一种自适应学习率的方法。它为每个参数独立调整学习率，学习率的调整取决于历史梯度的平方和，这使得频繁更新的参数学习率逐渐减小，而较少更新的参数学习率保持较大。这种方式防止了步长过大导致的震荡，也避免了步长过小导致的收敛速度慢。

公式：
$g_{t}=\nabla_{\theta}J(\theta_{t})$
$G_{t}=G_{t - 1}+g_{t}^{2}$
$\theta_{t + 1}=\theta_{t}-\frac{\eta}{\sqrt{G_{t}+\epsilon}}g_{t}$

其中：
- $g_{t}$ 是在第 $t$ 次迭代中的梯度，
- $G_{t}$ 是累积的历史梯度平方和，
- $\eta$ 是全局学习率，
- $\epsilon$ 是为了避免除以零的小常数（通常取 $10^{-8}$ ）。

优点：

自适应学习率：不需要手动调整学习率，适应稀疏数据场景。
适合稀疏数据：对于稀疏数据（如NLP任务中的词嵌入学习），AdaGrad表现很好。

缺点：

学习率过快衰减：随着训练的进行，累积的梯度会导致学习率快速减小，最终学习率趋近于0，难以继续学习。

适用场景：

适合于稀疏特征的场景，如自然语言处理中的词嵌入或推荐系统中的高维特征。

RMSProp (Root Mean Square Propagation)

简介：
RMSProp 是为了解决 AdaGrad 中学习率过快衰减的问题。它引入了指数加权移动平均（梯度的二阶矩）来平滑历史梯度的平方，使得学习率不会迅速下降。

公式：
$g_{t}=\nabla_{\theta} J(\theta_{t})$

$E[g_{t}^{2}]_{t}=\gamma E[g_{t - 1}^{2}]+(1 - \gamma)g_{t}^{2}$

$\theta_{t + 1}=\theta_{t}-\frac{\eta}{\sqrt{E[g_{t}^{2}]_{t}+ \epsilon}}g_{t}$

其中：
- $E[g_{t}^{2}]_{t}$ 是梯度平方的指数加权移动平均，
- $\gamma$ 是平滑系数，通常设为0.9，
- $\eta$ 是学习率，控制更新幅度。

优点：

学习率调整更稳健：通过指数加权平均处理梯度，RMSProp 可以更好地适应复杂且多变的损失面。
解决AdaGrad的衰减问题：与AdaGrad相比，它能够维持适当的学习率，使得训练能持续有效进行。

缺点：

需要调节超参数：RMSProp中的超参数，如移动平均系数，可能需要手动调整以取得最佳效果。

适用场景：

适用于非平稳目标或在线学习场景，如强化学习中的Q-Learning。

Adam (Adaptive Moment Estimation)

简介：
Adam 结合了动量法和RMSProp的优点 ，既使用动量法来考虑历史梯度，也通过RMSProp来自适应调整学习率。它既利用了梯度的一阶矩（动量），又利用了梯度的二阶矩（RMSprop）。

一阶矩（First Moment）：通常指梯度的均值，即梯度的期望值。它反映了梯度的方向和大小。
二阶矩（Second Moment）：通常指梯度的方差“ 或 “平方均值”，即梯度的平方的均值/期望值。它反映了梯度变化的幅度或不确定性。

公式：
Adam同时结合了动量法和RMSProp的思想，使用了梯度的一阶矩和二阶矩的移动平均。

计算梯度： $g_{t}=\nabla_{\theta} J(\theta_{t})$
计算梯度的一阶矩估计（动量）和二阶矩估计：
- $m_{t}=\beta_{1} m_{t - 1}+(1 - \beta_{1})g_{t}$
- $v_{t}=\beta_{2} v_{t - 1}+(1 - \beta_{2})g_{t}^{2}$
  - 其中， $\beta_{1}$ 和 $\beta_{2}$ 是控制一阶和二阶矩的衰减率，通常取0.9和0.999。
进行偏差修正：
- $\hat{m}_{t}=\frac{m_{t}}{1-\beta_{1}^{t}}$
- $\hat{v}_{t}=\frac{v_{t}}{1-\beta_{2}^{t}}$
更新参数： $\theta_{t + 1}=\theta_{t}-\frac{\eta}{\sqrt{\hat{v}_{t}+ \epsilon}}\hat{m}_{t}$

优点：

收敛速度快：Adam在大多数情况下表现出良好的收敛性，能够加速模型的训练。
自适应学习率：每个参数都有独立的学习率，不需要太多的手动调参。
鲁棒性：在各种问题上都表现良好，适用于大多数深度学习任务。

缺点：

可能过早收敛：Adam在某些场景下可能会收敛到亚最优解。
需要额外的超参数：Adam的β1、β2以及学习率等超参数需要调整，可能影响训练效果。

适用场景：

适用于大多数深度学习任务，尤其是在梯度更新频繁且噪声较大的场景，如图像分类、语言模型训练等。

AdamW 优化算法

简介：
Adam 优化算法的改进版本，专门针对优化正则化过程中的权重衰减问题。传统的 Adam 将权重衰减作为正则化的一部分，而 AdamW 通过将权重衰减与梯度更新过程分离，提供了更准确的正则化效果。

权重衰减（Weight Decay）是一种用于正则化的技术，主要目的是防止模型过拟合。它通过在损失函数中添加一个与参数大小相关的惩罚项，来限制模型参数的大小，使得模型的权重不能无限增大。

流程：

计算梯度： $g_{t}=\nabla_{\theta} J(\theta_{t})$
计算一阶矩动量和二阶矩：
- $m_{t}=\beta_{1} \cdot m_{t - 1}+(1 - \beta_{1}) \cdot g_{t}$
- $v_{t}=\beta_{2} \cdot v_{t - 1}+(1 - \beta_{2}) \cdot g_{t}^{2}$
偏差修正：
- $\hat{m}_{t}=\frac{m_{t}}{1 - \beta_{1}^{t}}$
- $\hat{v}_{t}=\frac{v_{t}}{1 - \beta_{2}^{t}}$
更新参数（带权重衰减项）：
- $\theta_{t + 1}=\theta_{t}-\eta \cdot\left(\frac{\hat{m}_{t}}{\sqrt{\hat{v}_{t}+\epsilon}}+\lambda \cdot \theta_{t}\right)$

这就是AdamW的完整公式，它在Adam的基础上通过引入权重衰减项，增强了正则化效果。

AdamW 的公式与 Adam 的主要区别就在于第四步的参数更新。因此，只需要在第四步添加权重衰减项 $\lambda \cdot \theta_t$ 即可。AdamW 的其他部分，如梯度计算、一阶矩、二阶矩和偏差修正，和 Adam 是完全相同的。

优点

更好的正则化效果：AdamW 将权重衰减与梯度更新 分离，能够实现更精确的正则化，减少过拟合。
与 Adam 兼容：保留了 Adam 的所有优势，如自适应学习率和动量计算，同时修正了正则化问题。
更快的收敛：由于正则化效果更准确，模型能够更好地收敛，尤其是在复杂网络中。
广泛适用：适用于许多深度学习任务，特别是需要进行正则化的任务，如计算机视觉、自然语言处理等领域。

缺点

超参数更多：与 Adam 相比，AdamW 增加了一个权重衰减超参数( $\lambda$ )，因此需要调试的超参数更多，调参复杂度增加。
计算复杂度略高：与 Adam 相比，虽然整体计算复杂度没有显著增加，但在包含权重衰减的场景下，其计算量稍有增加。

使用场景

深度神经网络中的正则化：适用于在深度学习模型中加入正则化以避免过拟合的场景，例如在大规模数据集上进行训练时，AdamW 能更好地控制权重更新。
计算机视觉任务：如图像分类、目标检测等任务，AdamW 可以通过有效的正则化提升模型的泛化能力。
自然语言处理（NLP）：在语言模型、文本分类等任务中，AdamW 的正则化效果能使模型在复杂数据集上更好地训练。
需要长时间训练的任务：AdamW 在长时间训练任务中的表现通常比 Adam 更好，因为其优化的正则化可以避免模型随着时间过拟合。

总结

算法	原理	优点	缺点	适用场景
GD	梯度下降算法，通过每次使用整个训练集，或者SGD和MGD。计算损失函数相对于模型参数的梯度，沿着梯度下降的方向更新参数，以最小化损失函数。	理论稳定，易于实现	计算成本高，特别是在大数据集上更新缓慢	小规模数据集或批量处理场景
Momentum	在 SGD 基础上增加动量，不仅考虑当前的梯度，还利用过去的梯度积累，加入惯性来加速收敛并减少震荡。	提升收敛速度、减少震荡	需调节动量系数	数据噪声较多的场景
AdaGrad	对每个参数采用不同的学习率，自适应学习率，并根据历史梯度的平方和自动调整每个参数的学习率。	自适应学习率，适合稀疏数据	学习率快速衰减	稀疏特征数据场景
RMSProp	在 AdaGrad 基础上，通过引入梯度的二阶矩来平衡学习率的更新，解决了 AdaGrad 学习率快速衰减的问题。	学习率调整更稳健，解决 AdaGrad 衰减问题	需调节超参数	非平稳目标、强化学习
Adam	结合了 Momentum 和 RMSProp，采用自适应学习率和动量来更新参数，适应性强，收敛速度快。利用了梯度的一阶矩（动量），又利用了梯度的二阶矩（RMSprop）。	收敛快，适应性强，鲁棒性好	可能过早收敛，需调整多个超参数	大多数深度学习任务，图像分类、语言模型
AdamW	改进的 Adam 算法，结合权重衰减正则化，将权重衰减与梯度更新过程分离，解决过拟合。	改进的正则化，避免权重衰减导致的过拟合问题	增加超参数调试复杂度	正则化场景，如图像分类、NLP任务

GD（Gradient Descent，梯度下降）：每次迭代使用整个数据集计算梯度，并更新模型参数，确保模型稳步收敛，但在大数据集上计算成本高且更新缓慢。
SGD（Stochastic Gradient Descent）：每次参数更新只使用一个或小批量样本进行计算，虽然计算效率高，但更新不稳定，容易出现震荡。
Momentum：通过在每次梯度更新时引入动量，动量会积累之前梯度的方向，帮助加速收敛，减少震荡。适合噪声较多的数据。
AdaGrad：自适应调整学习率，梯度较大的参数学习率变小，适合处理稀疏数据，但学习率在训练后期可能过小，导致收敛缓慢。
RMSProp：在 AdaGrad 基础上引入滑动平均（梯度的二阶矩）的机制，使学习率更新更加稳健，避免学习率过快衰减。常用于强化学习或非平稳目标。
Adam：结合了 Momentum 和 RMSProp 的优势，采用自适应学习率和动量机制，使其在大多数深度学习任务中表现良好，收敛快且鲁棒性好。
AdamW：在 Adam 的基础上，改进了权重衰减的方式，通过权重衰减的正则化防止模型过拟合，特别适用于需要正则化的任务，如图像分类和 NLP。

这使得每种优化算法在处理不同的任务时，能够根据具体的需要选择合适的优化方式。

经验和实践建议

训练模型时，结合不同优化方法和策略来提高模型性能的常见做法。接下来，我会详细解释每个策略和概念背后的原理及其作用。

使用 Adam 进行初始训练，之后用 SGD 进行微调

作用：

结合了 Adam 的快速收敛能力 和 SGD 的精细调整能力，Adam 用于快速收敛，而 SGD 用于微调，能够快速训练模型并进一步优化模型，使其参数更接近全局最优。

解释：

Adam 是一种自适应学习率优化算法，能够在早期阶段快速收敛。由于 Adam 能够自适应地调整每个参数的学习率，这使得 Adam 能够帮助模型尽快接近局部最优解。
SGD 则被认为在局部微调时表现得更为稳定。尽管收敛速度较慢，但在接近最优解时，SGD 具有更好的优化全局性能的能力。使用 SGD 可以细致地调整模型参数，使其更加接近全局最优。

其他：

RMSProp + SGD：自适应学习率算法RMSProp 可以迅速找到损失函数的低谷（能很好地处理非平稳数据），可以用于在线学习或强化学习中。然后通过 SGD 进一步优化模型参数。

冷启动策略（Cold Start Strategy）

作用：

帮助模型快速找到一个初始的较好参数，避免一开始陷入局部最优，进而提高后续优化阶段的效果。

解释：

冷启动策略主要解决的是训练初期时，如何合理地设置参数、超参数以及模型结构，确保训练能够顺利进行，并尽快进入有效的学习阶段。
初始模型参数初始化或者初始优化器选择错误 ，导致模型一开始的训练进展缓慢，甚至收敛到较差的局部最优解。采用冷启动策略，即开始时使用较大批量、较高学习率或者自适应学习率优化算法（如 Adam）进行初始训练，以帮助模型快速找到一个可行的参数区域。
然后，再使用更稳健的优化方法（如 SGD）以及更小的学习率来进行进一步的训练，从而细化参数并找到更接近全局最优的解。

大批量与小批量交替训练

作用：

交替使用大批量和小批量训练，可以在一定程度上结合两者的优势：用小批量训练来加速模型的训练，同时用大批量训练来稳定模型，并帮助模型在更广的参数空间探索。

解释：

小批量（mini-batch） 对数据集的一部分进行更新来避免计算整个数据集的梯度，从而加速模型的训练。然而，小批量训练有时可能会陷入局部最优解。
大批量训练 则能够更稳定地更新梯度，因为它使用更多的数据，减小了梯度中的噪声。但大批量训练的缺点是训练速度较慢。

学习率逐步衰减（Learning Rate Decay）

作用：

学习率衰减 可以让模型在训练初期，使用较高的学习率进行快速探索，在后期逐渐减小学习率进行更精细的调整，从而帮助模型更加稳定地收敛到全局最优解。

解释

小学习率的优缺点
- 优点：
  精细调整、避免震荡、适合后期微调：小学习率能够使模型在接近最优解时进行更细致的参数调整。能避免震荡，使模型更加平稳地优化。在模型训练的后期，小学习率能够帮助模型更精确地逼近全局最优。
- 缺点：
  收敛速度慢、可能陷入局部最优：小学习率会导致参数更新幅度较小，因此模型的收敛速度较慢，特别是在训练初期时。由于更新幅度较小，模型可能会陷入局部最优解，难以跳出并探索更优的解。

大学习率的优缺点
- 优点：
  收敛速度快、跳出局部最优：大学习率可以使模型在训练初期迅速调整参数，快速探索参数空间，帮助模型尽快接近局部最优解。较大的参数更新幅度有助于模型摆脱局部最优，探索更优的解。
- 缺点：
  容易震荡或发散、难以精细调整：在接近最优解时，大学习率可能导致参数更新幅度过大，导致模型在局部区域内反复跳跃，甚至发散，无法收敛。大学习率使模型的参数更新过于粗糙，难以在训练后期进行精细优化。

总结

小学习率：适合训练的后期，帮助模型精细调整参数、稳定收敛。更容易过拟合。
大学习率：适合训练初期，帮助模型快速探索参数空间、提高收敛速度。更容易欠拟合。

常见的学习率衰减策略包括：

指数衰减：学习率按照某个指数函数衰减；
阶梯衰减：在训练的某些阶段手动减小学习率；
自适应衰减：当模型的损失停止下降时，自动减小学习率。

总结

将 Adam 和 SGD 结合使用，以及通过 冷启动策略、大批量与小批量交替训练 和 学习率逐步衰减，能够有效提升深度学习模型的训练效率和性能。Adam 初期的快速收敛可以节省时间和资源，而 SGD 的精细优化能力可以确保最终结果更接近全局最优。让模型在训练初期，使用较高的学习率进行快速探索，在后期逐渐减小学习率进行更精细的调整，从而帮助模型更加稳定地收敛到全局最优解。

主要考虑的参数

以下是选择优化器时需要重点关注的几个关键参数：

学习率（Learning Rate, $\eta$ ）

描述：

学习率决定了每次更新参数的步长，是最重要的超参数之一。学习率过大可能导致模型在训练过程中发散，无法收敛，更容易欠拟合；学习率过小则会导致模型训练速度缓慢，甚至陷入局部最优，更容易过拟合。

选择标准：

对于大多数优化器，学习率是必调的参数。常见的做法是从较大的学习率开始逐步衰减，或者使用自适应学习率算法（如 Adam）。学习率也可以与学习率衰减机制结合使用，在训练过程中逐步降低。

影响：

大学习率通常加快收敛速度，但可能不稳定，可能导致欠拟合；
小学习率则更稳定，但速度较慢，可能导致过拟合。
使用太高或太低的学习率都可能导致模型性能不佳。

动量（Momentum, $\beta$ ）

描述：

动量是用来加速梯度下降方向并减少更新抖动的参数，通常用于动量法。它通过引入梯度的历史信息，使得模型参数更新方向更平滑，减少震荡。

选择标准：

动量的典型取值范围在0.9到0.99之间。这个参数决定了历史梯度对当前梯度的影响，值越大，历史梯度的影响越大。

影响：

动量能够提高模型收敛速度，特别是在损失函数面比较复杂时有助于跳出局部极小值。但如果动量参数过大，可能导致模型更新过程中的震荡。

自适应学习率参数（如 Adam 的 $\beta_1$ , $\beta_2$ ）

描述：

自适应优化器（如 Adam、RMSProp）会对每个参数动态调整学习率。这些优化器通常有两个主要的超参数 $\beta_1$ 和 $\beta_2$ ，分别控制一阶和二阶矩估计的衰减率。
- $\beta_1$ ：控制梯度的动量，一般取 0.9；
- $\beta_2$ ：控制梯度平方的动量，通常取 0.999。

选择标准：

默认情况下， $\beta_1 = 0.9$ 和 $\beta_2 = 0.999$ 通常是一个不错的起点，适合大多数任务。但是在特殊任务中，可能需要调节这些参数以更好地控制学习率调整过程。

影响：

$\beta_1$ 和 $\beta_2$ 主要影响 Adam 等优化器的稳定性和自适应能力。
$\beta_1$ 过大：动量积累过强，模型更新滞后。
$\beta_1$ 过小：动量作用弱化，导致更新震荡。
$\beta_2$ 过大：自适应学习率变化过慢，优化器调整迟缓。
$\beta_2$ 过小：自适应学习率波动大，优化过程不稳定。

批量大小（Batch Size）

描述：

批量大小决定了每次参数更新时使用的数据样本数量。小批量（mini-batch）能引入噪声，帮助模型跳出局部最优；大批量训练能让模型更稳定地收敛。

选择标准：

通常情况下，批量大小与优化器配合使用。小批量训练能使模型在参数空间中更充分地探索，而大批量训练有助于加速收敛过程。常见的批量大小在32、64、128等，根据计算资源和模型大小进行调整。

影响：

较小的批量大小能够帮助模型避免陷入局部最优解，但训练速度较慢，可能导致欠拟合；
较大的批量大小会使梯度估计更精确，从而使模型稳定，但可能收敛到局部最优，可能导致过拟合。

梯度裁剪（Gradient Clipping）

描述：

在某些任务（如序列生成任务、循环神经网络中），梯度爆炸问题会导致参数更新幅度过大。梯度裁剪是一种控制梯度最大值的方法，避免梯度爆炸。

选择标准：

在梯度可能会爆炸的场景（如长序列建模、循环神经网络中），通常会设置梯度裁剪的阈值，如5.0 或1.0，以防止梯度过大。裁剪后，梯度的 L2 范数会限制在指定的阈值内。

影响：

梯度裁剪可以防止梯度更新过大，导致模型参数发散，尤其适合用于梯度不稳定的任务中。

权重衰减（Weight Decay, $\lambda$ ）

描述：

权重衰减是一种正则化技术，通过在每次梯度更新时直接对权重参数乘以一个小于 1 的因子，从而限制权重的增长。从而减少参数的值，避免过拟合。

选择标准：

$\lambda$ （权重衰减系数）的典型取值通常是 $10^{-4}$ 到 $10 ^{-6}$ 之间。权重衰减的选择主要依赖于数据集的规模、模型复杂度以及是否存在过拟合。

影响：

适度的权重衰减可以有效防止模型过拟合，但过大的权重衰减会导致模型欠拟合。

说明：

SGD 优化器中：可以直接使用 L2 正则化或者权重衰减，两者效果几乎相同。
Adam 优化器中：建议使用 AdamW，因为它将权重衰减与正则化分离，使得模型训练更稳定、优化过程更合理。

初始化参数（Weight Initialization）

描述：

权重初始化对优化过程至关重要，因为不恰当的初始化会导致训练速度变慢，甚至无法收敛。常见的初始化方法包括：
- 随机初始化
- Xavier 初始化
- He 初始化
- 常数初始化。

参考：深度学习——评估指标、权重初始化、梯度消失和梯度爆炸

影响：

良好的初始化 能加速模型的收敛，并使得梯度在前向传播和反向传播时不会过快缩小或膨胀，尤其是在深层神经网络中非常重要。
不当的初始化 可能会导致训练过程中出现梯度消失或梯度爆炸现象，从而导致网络收敛困难或训练时间极长。

在选择优化器的过程中，参数初始化的策略至关重要。以下是一些常见的选择方案：

Xavier 初始化：适用于 Sigmoid 和 Tanh 激活函数，防止梯度爆炸或消失。
He 初始化：适用于 ReLU 和其变种激活函数的网络，如深度卷积神经网络（CNN）。
LeCun 初始化：适用于 SELU 激活函数，尤其是在自归一化神经网络中效果良好。
Orthogonal 初始化：特别适用于 RNNs 和深层神经网络。
常数初始化：所有权重被设置为相同的值，常用于偏置项的初始化。

总结

在选择优化器的过程中，关键是根据具体任务的需求来确定 学习率、动量、自适应参数、批量大小 等参数。同时，诸如 权重衰减、梯度裁剪 和 计算开销 等因素也必须纳入考量，以确保模型能够在有效的计算资源和时间范围内实现最佳性能。

最常见的策略是先使用自适应学习率优化器（如 Adam）快速收敛，然后用 SGD 进一步微调参数，以达到更好的全局优化效果。同时合理设置学习率衰减等机制，进一步提高训练效果。

激活函数

激活函数是核心组件之一，它赋予神经网络非线性能力，使得模型能够学习复杂的模式和函数映射。常见的激活函数有多种，每种激活函数都有其独特的特性、优缺点，并且往往是基于前一代激活函数的改进。

1) Sigmoid 函数

公式：
$f(x)=\frac{1}{1 + e^{-x}}$
输出范围：
$0 < f (x) < 1$

优点：

平滑输出：Sigmoid 函数将输入压缩到 [0, 1] 之间，输出可以解释为概率，特别适合用于二分类问题的输出层。

缺点：

梯度消失问题：当输入过大或过小时，Sigmoid 的梯度接近 0，导致梯度消失，特别是在深层网络中，训练效率大大降低。
非零中心：输出是非零中心的，这可能导致后续层的梯度更新不均衡。

适用场景：

用于 输出层，特别是二分类任务中，输出可以解释为概率值。
在现代深层网络中，Sigmoid 逐渐被其他激活函数替代，因为它的梯度消失问题限制了其在深层网络中的表现。

2) Tanh 函数

公式：
$f(x)=\tanh(x)=\frac{e^{x}-e^{-x}}{e^{x}+e^{-x}}$
输出范围：
$\leq f(x) \leq 1$

优点：

零中心输出：与 Sigmoid 函数相比，Tanh 函数的输出在 [-1, 1] 之间，输出接近 0 时，使得正负输入在更新时的方向性保持一致，收敛更快。
平滑性：类似 Sigmoid，它具有平滑的输出，在二分类问题中能产生强有力的激活效果。

缺点：

梯度消失问题：尽管 Tanh 的输出范围比 Sigmoid 更宽，但仍然会出现梯度消失的问题，尤其是在输入值非常大或非常小时。

基于 Sigmoid 的改进：

Tanh 是对 Sigmoid 函数的改进，通过将输出范围调整为[-1, 1]，零中心输出，使得网络能够更好地处理负值，并避免部分梯度不均衡问题。

适用场景：

在 隐藏层 中用于信号标准化和处理负数数据。特别适合需要中心化输出的场景，但在深层网络中仍存在梯度消失问题。

3) ReLU（Rectified Linear Unit）

公式：
$f(x)=\max(0,x)$
输出范围：
$0\leqslant f(x)<+\infty$

优点：

计算简单：ReLU 是线性分段函数，计算简单高效，不需要复杂的指数计算。
减轻梯度消失问题：由于 ReLU 在 x > 0 的区间上保持梯度恒定为 1，避免了梯度消失问题，尤其在深层网络中表现优异。
稀疏性：ReLU 的输出是稀疏的，当输入为负值时输出为 0，这有助于网络在某些场景下提升效率。

缺点：

死亡神经元、Dying ReLU问题：当 ReLU 的输入为负值时，神经元的输出会一直为 0，导致某些神经元永远不会被激活，进而无法参与模型的学习。
不对称性：ReLU 只对输入的正值产生作用，负值部分被置为 0，导致某些场景下信息丢失。

基于 Tanh 的改进：

ReLU 是一种非线性激活函数，但在设计上简化了 Tanh 和 Sigmoid 的复杂性，同时减轻了梯度消失的问题。

适用场景：

深度神经网络的 隐藏层 中使用最广泛的激活函数，特别适用于卷积神经网络（CNN）和全连接网络（FCN）。

4) Leaky ReLU

公式：
$f(x)=\begin{cases}x & \text{if } x > 0\\\alpha x & \text{if } x\leqslant0\end{cases}$
其中 $\alpha$ 通常是一个小的正数（如0.01）。
输出范围：
$-\infty < f(x)<+\infty$

优点：

解决死亡神经元、Dying ReLU 问题：Leaky ReLU 在 x<=0 的区间上引入了一个小的【固定的】负斜率，避免了 ReLU 函数的死神经元问题。
梯度流动：通过允许负值的输入产生非零梯度，模型可以更好地更新权重。

缺点：

不一定总是比 ReLU 更好：虽然 Leaky ReLU 解决了死神经元的问题，但是引入了负值的输出，可能对模型效果有微小的影响，在某些任务中，它并不总是比 ReLU 有显著优势。

基于 ReLU 的改进：

Leaky ReLU 是 ReLU 的改进版，通过为负值输入保留一个小的斜率来避免 ReLU 中的神经元失活问题。

适用场景：

常用于深层神经网络中，需要避免死神经元问题时。Leaky ReLU 的负斜率可以帮助梯度有效传播，特别适合于 生成对抗网络（GANs） 和 RNN 等需要更稳定梯度流的场景。

5) Parametric ReLU（PReLU）

公式：
$\begin{cases} x & \text{if } x > 0 \\ \alpha x & \text{if } x \leq 0 \end{cases}$
其中 $\alpha$ 是可学习的参数。

输出范围：
$(-\infty, +\infty)$

由于PReLU在正值区间输出 $x$ ，而在负值区间输出 $\alpha x$ ，且 $\alpha$ 可以是任何常数，因此PReLU的输出范围是从 $-\infty$ 到 $+\infty$ 。

优点：

可学习的斜率：与 Leaky ReLU 不同，PReLU 中的 $\alpha$ 是通过训练学习的，而不是一个固定值，这使得模型能够自动调整负值部分的斜率。
提升模型性能：它可以动态适应每个神经元的输入，在一些深层网络中，比固定的 ReLU 或 Leaky ReLU 表现更好。

缺点：

增加了模型复杂度：PReLU 引入了额外的参数 $\alpha$ ，这增加了模型的复杂性和训练成本。

基于 Leaky ReLU 的改进：

PReLU 是对 Leaky ReLU 的改进，使得负斜率 $\alpha$ 不再固定，而是通过学习调整，以便模型在训练过程中更加灵活。

适用场景：

适用于 深度卷积神经网络（CNN） 和 其他大型深度网络，当模型需要更大的灵活性和动态调整时，PReLU 提供了更优的性能。

6) ELU（Exponential Linear Unit）

公式：
$\begin{cases} x & \text{if } x > 0 \\ \alpha(e^x - 1) & \text{if } x \leq 0 \end{cases}$
其中 $\alpha > 0$ 是一个超参数，通常取 $\alpha = 1$ 。

输出范围：
$(-\alpha, +\infty)$

当 $x > 0$ 时，ELU输出 $x$ ，所以输出范围可以趋近于 $+\infty$ 。
当 $\leq 0$ 时，ELU的输出是 $\alpha(e^x - 1)$ ，因此下限是 $-\alpha$ ，这取决于 $\alpha$ 的值（通常 $\alpha > 0$ ）。

优点：

平滑负值处理：ELU 在 x<=0 时平滑输出，使得负值部分的输出更为柔和，解决了 ReLU 和 Leaky ReLU 在负值区间的突变问题。
零中心输出：相比 ReLU，ELU 的输出更接近零，有助于梯度均衡更新，提升训练速度。

缺点：

计算复杂度高：ELU 的负值部分包含指数计算，比 ReLU 和 Leaky ReLU 的计算复杂度更高。

基于 ReLU 的改进：

ELU 是对 ReLU 的改进，它解决了 ReLU 处理负值时的过度稀疏问题，并通过指数函数使负值部分更平滑。

适用场景：

ELU 常用于深层网络，如 卷积神经网络（CNN），尤其是需要更平滑输出的场景。它的平滑负值处理在一定程度上提高了模型的鲁棒性。

7) SELU（Scaled Exponential Linear Unit）

公式：
$\lambda \begin{cases} x & \text{if } x > 0 \\ \alpha(e^x - 1) & \text{if } x \leq 0 \end{cases}$
其中：

$\alpha \approx 1.67326$
$\lambda \approx 1.0507$

输出范围：
$(-\infty, +\infty)$

优点：

自归一化：SELU 激活函数的最大特点是具有自归一化（self-normalizing）特性，它能够使得神经元的输出保持零均值和单位方差，即便经过多层网络传递后，仍然保持这种归一化效果。这一特性有助于避免梯度消失和梯度爆炸问题。
消除梯度消失和爆炸：SELU 通过引入缩放因子 ( $\lambda$ ) 和 ( $\alpha$ )，在负值区域引入非线性并进行归一化处理，有效防止梯度消失和爆炸。
无需额外正则化：SELU 可以减少或完全消除对批归一化（Batch Normalization）等正则化方法的依赖，在某些场景中表现非常稳定。

缺点：

依赖特定初始化和架构：SELU 要发挥最大效果，必须搭配 LeCun 正态初始化（LeCun Normal Initialization）和 Alpha Dropout。这种依赖特定初始化和架构的特性使得 SELU 在某些情况下的灵活性较差。
对输入数据敏感：SELU 要求输入数据标准化，即数据需要经过归一化处理（零均值、单位方差），否则效果可能较差。

基于 ELU 的改进：

SELU 是对 ELU 函数的改进，保留了 ELU 在负值区间的平滑处理，同时通过添加缩放因子使输出具有自归一化特性。这种自归一化特性使得神经网络更稳定，并且减轻了对批归一化等正则化手段的需求。

适用场景：

自归一化神经网络（SNNs）：SELU 常用于自归一化神经网络，它可以减少梯度消失和爆炸问题，尤其适用于深层网络。
适合需要高度稳定的训练过程，并且对批归一化等方法不适合的场景，如某些 序列生成 或 生成对抗网络（GANs） 中，SELU 可以提高网络的训练稳定性。

8) Swish(SiLU)

公式：
$\frac{x}{1 + e^{-x}} = x \cdot \sigma(x)$
其中 $\sigma(x)$ 是Sigmoid函数。

优点：

平滑且非单调：Swish 是一个非单调的函数（即它既有递增区间，也有递减区间），这有助于捕捉复杂的非线性特性。
更好的性能：Swish 在一些任务中表现出优于 ReLU 和其他常见激活函数的性能，尤其是在深层网络中。

缺点：

计算复杂度略高：相比 ReLU，Swish 由于引入了 Sigmoid 计算，其计算复杂度稍高。

基于 ReLU 的改进：

Swish 是一种由 Google 提出的激活函数，它保留了 ReLU 的线性部分，但结合了 Sigmoid 的平滑性，特别适用于深层神经网络。

适用场景：

深度卷积神经网络（CNN） 和 Transformer 等模型中，Swish 在一些任务（如图像分类、目标检测）中表现优异，特别适合深度模型。
SD模型的三个组件中都用到了，GSC部件中的S。

总结

激活函数	优点	缺点	适用场景
Sigmoid	平滑输出，适合二分类问题	梯度消失，非零中心	二分类输出层
Tanh	零中心输出，平滑	梯度消失	中间层或输出层
ReLU	计算简单，减轻梯度消失	死神经元问题，不对称输出	深层网络，特别是卷积神经网络（CNN）
Leaky ReLU	解决 ReLU 死神经元问题，保持梯度流动	不一定总是比 ReLU 更好	需要避免死神经元问题的深层网络
PReLU	可学习的负斜率，灵活性高	增加了模型的复杂度和训练时间	深度卷积网络等大型模型
ELU	平滑负值处理，零中心输出	计算复杂度高	需要平滑负值处理的深层网络
SELU	自归一化，减轻梯度消失和爆炸，减少对正则化的依赖	依赖特定的初始化和数据标准化	自归一化神经网络（SNN），深度网络
Swish	非单调，性能好	计算复杂度略高	深层网络，如图像分类和目标检测