Swish 激活函数

Swish 激活函数 是一种由 Google Research 提出的非线性激活函数，定义如下：

$\text{Swish}(x)=x\cdot \sigma (x)=\frac{x}{1+e^{-x}}$

其中，$\sigma (x)$ 是 Sigmoid 函数，表示为：

$\sigma (x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$

Swish 激活函数在深度学习中的一些应用已经展示了其优势，特别是在神经网络的训练过程中。

1. Swish 激活函数的特点

• 平滑且连续：Swish 是一个平滑的激活函数，不像 ReLU 那样在 $x<0$ 时产生“硬”截断。这样，Swish 可以更平滑地引导梯度流动，从而可能减少梯度消失问题，并且对神经网络的优化更有利。

• 非单调函数：与 ReLU 或 Sigmoid 等激活函数不同，Swish 不是严格单调的，这意味着它在某些情况下可能更加灵活地适应数据和任务的需求。

• 梯度信息较好：因为 Swish 函数的导数为 $\sigma (x)+x\cdot \sigma (x)\cdot (1-\sigma (x))$，在正区间和负区间都有较为稳定的梯度，这有助于避免梯度爆炸或梯度消失问题。

• 类似于 ReLU：当 $x$ 较大时，Swish 与 ReLU 的效果相似；而当 $x$ 较小时，Swish 能提供比 ReLU 更加平滑的梯度。

2. 什么时候使用 Swish 激活函数

2.1 深度网络中

Swish 被证明在深度网络中比 ReLU 更有效，尤其是在较深的神经网络中。Swish 的平滑性质有助于减少梯度消失和梯度爆炸的问题，从而加速训练过程并提高网络的收敛速度。特别是当网络的层数较多时，Swish 能更好地传播梯度，避免早期层的梯度消失。

2.2 需要较大模型容量的任务

在某些需要大规模模型容量的任务中（例如，计算机视觉中的图像分类、目标检测等），Swish 可能比传统的激活函数（如 ReLU 或 Leaky ReLU）更适合。这是因为 Swish 在许多情况下能够学习更复杂的非线性特征，帮助神经网络更好地表示复杂的模式。

2.3 生成模型

Swish 在生成模型中（如生成对抗网络（GAN））也可能会有较好的表现，因为它能够提供平滑的激活曲线，使生成网络能够更平滑地调整生成数据。

2.4 较难优化的问题

Swish 激活函数对于一些训练难度较大的问题，如梯度消失或梯度爆炸等优化问题，有一定的缓解作用。如果在使用 ReLU 时，出现了训练过程中的梯度消失或收敛较慢，Swish 可能是一个更好的选择。

2.5 强化学习

在强化学习中，Swish 函数也展示了优于 ReLU 的表现。在深度 Q-learning（DQN）等强化学习模型中，Swish 可以帮助加速收敛，并且减少训练过程中的不稳定性。

2.6 更深的卷积神经网络

对于卷积神经网络（CNN）中的深层网络，Swish 激活函数也表现出较好的效果，尤其是在特征提取和生成任务中。Swish 对于卷积层的权重更新更有利，能够更好地传播梯度，从而改进卷积层的训练效果。

2.7 对比其他激活函数的优势

Swish 相比于其他常见激活函数，如 ReLU 和 Leaky ReLU，能够保持负输入部分的非零梯度，这使得网络在训练时不容易“死神经元”现象。在训练过程中，Swish 提供了更平滑的非线性变换，这对某些任务的优化效果是有利的。

3. Swish 与其他常见激活函数的对比

激活函数	特点	优点	缺点
ReLU	$\text{ReLU}(x)=\max (0,x)$	简单、计算高效	对负值没有梯度，容易出现“死神经元”
Leaky ReLU	$\text{Leaky ReLU}(x)=\max (\alpha x,x)$	在负值区间有微小梯度，避免死神经元	可能不如 Swish 平滑且灵活
Swish	$\text{Swish}(x)=x\cdot \sigma (x)$	平滑、非单调，适用于深度网络	计算较复杂，可能对某些任务效果不如 ReLU

4. 如何选择 Swish 激活函数

尽管 Swish 激活函数在许多场景中表现良好，但它并不是在所有情况下的最佳选择。以下是一些关于何时选择 Swish 的指导原则：

• 当网络很深：如果网络较深，尤其是在处理非常复杂的任务（如图像分类、语言模型、生成任务等）时，Swish 可以帮助加速训练并提供更好的梯度流动。
• 当 ReLU遇到梯度消失问题时：Swish 的平滑性质能够缓解 ReLU 中的梯度消失问题，特别是在训练过程中出现梯度爆炸或梯度消失时。
• 当需要更高的模型灵活性时：Swish 提供比 ReLU 更高的灵活性，尤其是在处理复杂数据时，可能会比其他激活函数更好。