深度学习之激活函数篇

 

一般来说,激活函数使网络具有非线性化的作用,在神经网络中,正是由多个网络层接激活函数而使其由足够的非线性拟合的能力。常用的激活函数包括:Sigmoid函数、Tanh函数、Relu函数、Softmax函数、ELU函数(指数线性单元)、SELU函数等等,下面将对前四个函数展开详细的叙述:

  1. Sigmoid函数

Sigmoid函数的表达式为:

该函数常用于回归问题上,其的值域为(0, 1),x越接近负无穷,其函数值越接近0;越接近正无穷,其函数值越接近1。因此,Sigmoid函数是一个不以0为中心的函数,总是正数,在训练过程中参数的梯度值为同一符号,这样更新的时候容易出现zigzag现象,不容易到达最优值,其作为激活函数的优点有:平滑、易于求导;但是缺点容易出现梯度消失的问题(特别是在反向传播中),因此难以在深层的神经网络完成训练。

  1. Tanh函数

Tanh函数的表达式为:

该函数的值域为(-1, 1),x越接近负无穷,其函数值越接近-1;越接近正无穷,其函数值越接近1。该函数以零为中心,解决了Sigmoid函数更新权重时容易出现的zigzag现象,但是梯度消失的问题和幂运算的问题仍存在。

  1. Relu函数

Relu函数的表达式为:

该函数是卷积神经网络里面最常见的激活函数,ReLu在正区间内解决了梯度消失的问题,并且收敛速度快。但是,ReLu函数可能存在梯度爆炸的问题,而且还存在Dead ReLu Problem(即可能存在一些神经元永远不会参与到计算当中,其相应的参数也无法被更新,通常来说,参数的学习率过高可能导致这种情况)。

  1. Softma函数

Softmax函数是分类任务中最常用的最后一层的激活函数,其的计算方式是将K维的任意实数向量映射到另一个K维的实数向量,并且这个K维向量的和为1,而对于分类任务中,通常每一个数表示一个分类的置信度(即可以理解为该分类的概率)。

Softmax函数的表达式为:

### 深度学习激活函数的介绍 激活函数深度学习中扮演着重要角色,其主要功能是通过引入非线性因素来增强神经网络的学习能力。如果没有激活函数的存在,即使是一个多层神经网络也只能表示一个简单的线性模型[^3]。 #### 激活函数的工作原理 激活函数的核心作用在于对输入信号进行非线性转换,并将其结果作为下一层神经元的输入。这种非线性转换允许神经网络模拟复杂的非线性关系,从而解决诸如图像分类、自然语言处理等问题中的高维特征提取需求[^1]。此外,激活函数通常需要满足单调性和可微性条件,以便支持基于梯度下降法的优化过程[^2]。 #### 常见类型的激活函数及其特点 以下是几种常见的激活函数: 1. **Sigmoid 函数** - 表达式: \[ f(x) = \frac{1}{1 + e^{-x}} \] - 特点:将实数值压缩到 \(0\) 到 \(1\) 的范围内,适用于概率预测场景;然而,在深层网络训练过程中容易引发梯度消失问题。 2. **Tanh (双曲正切) 函数** - 表达式: \[ f(x) = \tanh(x) = \frac{e^{x} - e^{-x}}{e^{x} + e^{-x}} \] - 特点:输出范围为 \(-1\) 至 \(1\) ,相较于 Sigmoid 更适合中心化数据的情况,但仍可能面临梯度消失的风险[^3]。 3. **ReLU (Rectified Linear Unit)** - 表达式: ```python def ReLU(x): return max(0, x) ``` - 特点:对于正值部分保持不变,负值则设为零。由于计算简单且缓解了梯度消失现象,成为现代深度学习架构中最广泛使用的激活函数之一[^4]。 4. **Leaky ReLU** - 改进了标准 ReLU 对于负数区域完全抑制的问题,赋予较小斜率给这些区域,防止死区现象的发生。 5. **Softmax** - 主要用于多类别分类任务的最后一层,把多个维度上的得分转化为对应类别的概率分布形式。 ```python import numpy as np def softmax(x): exp_x = np.exp(x - np.max(x)) # 防止溢出 return exp_x / exp_x.sum(axis=0) # 示例应用 input_scores = np.array([2.0, 1.0, 0.1]) output_probabilities = softmax(input_scores) print(output_probabilities) ```
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