今天在讨论神经网络中的激活函数时,陆同学提出 Sigmoid 函数的输出不是以零为中心的(non-zero-centered),这会导致神经网络收敛较慢。关于这一点,过去我只是将其记下,却并未理解背后的原因。此篇谈谈背后的原因。
神经元
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如图是神经网络中一个典型的神经元设计,它完全仿照人类大脑中神经元之间传递数据的模式设计。大脑中,神经元通过若干树突(dendrite)的突触(synapse),接受其他神经元的轴突(axon)或树突传递来的消息,而后经过处理再由轴突输出。
在这里,诸 是其他神经元的轴突传来的消息,诸
是突触对消息的影响,诸
则是神经元树突上传递的消息。这些消息经由神经元整合后(
)再激活输出(f(z))。这里,整合的过程是线性加权的过程,各输入特征
之间没有相互作用。激活函数(active function)一般来说则是非线性的,各输入特征
在此处相互作用。
Sigmoid 与 tanh
此篇集中讨论激活函数输出是否以零为中心的问题,因而不对激活函数做过多的介绍,而只讨论 Sigmoid 与 tanh 两个激活函数。
Sigmoid 函数
Sigmoid 函数的一般形式是
这里,参数a 控制 Sigmoid 函数的形状,对函数基本性质没有太大的影响。在神经网络中,一般设置a=1 ,直接省略。
Sigmoid 函数的导数很好求
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tanh 函数
tanh 函数全称 Hyperbolic Tangent,即双曲正切函数。它的表达式是
双曲正切函数的导数也很好求
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一些性质
Sigmoid 和 tanh 两个函数非常相似,具有不少相同的性质。简单罗列如下
- 优点:平滑
- 优点:易于求导
- 缺点:幂运算相对耗时
- 缺点:导数值小于1,反向传播易导致梯度消失(Gradient Vanishing)
对于 Sigmoid 函数来说,它的值域是(0, 1),,因此又有如下特点
- 优点:可以作为概率,辅助模型解释
- 缺点:输出值不以零为中心,可能导致模型收敛速度慢
此篇重点讲 Sigmoid 函数输出值不以零为中心的这一缺点。
收敛速度
这里首先需要给收敛速度做一个诠释。模型的最优解即是模型参数的最优解。通过逐轮迭代,模型参数会被更新到接近其最优解。这一过程中,迭代轮次多,则我们说模型收敛速度慢;反之,迭代轮次少,则我们说模型收敛速度快。
参数更新
深度学习一般的学习方法是反向传播。简单来说,就是通过链式法则,求解全局损失函数对某一参数w的偏导数(梯度);而后辅以学习率
,向梯度的反方向更新参数w 。
考虑学习率 是全局设置的超参数,参数更新的核心步骤即是计算
。再考虑到对于某个神经元来说,其输入与输出的关系是
因此,对于参数 来说,
因此,参数的更新步骤变为
更新方向
由于 是上一轮迭代的结果,此处可视为常数,而
是模型超参数,参数
的更新方向实际上由
决定。
又考虑到 对于所有的
来说是常数,因此各个
更新方向之间的差异,完全由对应的输入值
的符号决定。
以零为中心的影响
至此,为了描述方便,我们以二维的情况为例。亦即,神经元描述为
现在假设,参数 , 的最优解
, 满足条件
这也就是说,我们希望 适当增大,但希望
适当减小。考虑到上一小节提到的更新方向的问题,这就必然要求
和
符号相反。
但在 Sigmoid 函数中,输出值恒为正。这也就是说,如果上一级神经元采用 Sigmoid 函数作为激活函数,那么我们无法做到 和
符号相反。此时,模型为了收敛,不得不向逆风前行的风助力帆船一样,走 Z 字形逼近最优解。
如图,模型参数走绿色箭头能够最快收敛,但由于输入值的符号总是为正,所以模型参数可能走类似红色折线的箭头。如此一来,使用 Sigmoid 函数作为激活函数的神经网络,收敛速度就会慢上不少了。
转载自:https://liam.page/2018/04/17/zero-centered-active-function/