深度学习中的激活函数介绍

最新推荐文章于 2025-06-18 00:15:30 发布

一骑走烟尘

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分类专栏：深度学习原理推导

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sigmoid函数
tanh函数
relu函数
maxout函数
softplus函数
softmax函数

sigmoid函数

sigmoid函数公式:
$\sigma(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$
值域在[0,1]之间，图像y轴对称。
sigmoid函数求导:
$\begin{aligned} \sigma^{\prime}(x) &=\left(\frac{1}{1+e^{-x}}\right)^{\prime} \\\\ &=\frac{e^{-x}}{\left(1+e^{-x}\right)^{2}} \\\\ &=\frac{1+e^{-x}-1}{\left(1+e^{-x}\right)^{2}} \\\\ &=\sigma(x)(1-\sigma(x)) \end{aligned}$
从sigmoid函数的导数形式可知，其导数最大值为0.25，因此sigmoid函数容易引起梯度消失。

tanh函数

tanh函数公式:
$\tanh (x)=\frac{e^{x}-e^{-x}}{e^{x}+e^{-x}}$
值域[-1,1]。
tanh函数求导:
$tanh(x)^{\prime}=\frac{(e^{x}+e^{-x})^{2}-(e^{x}-e^{-x})^{2}}{(e^{x}+e^{-x})^{2}}=1-(tanh(x))^{2}$

relu函数

relu函数公式:
$ReLU(x)=\begin{cases}{0,} & {x \leqslant 0} \\\\ {x,} & {x>0}\end{cases}$
relu函数求导:
$ReLU(x)^{\prime}=\begin{cases}{0,} & {x \leqslant 0} \\\\ {1,} & {x>0}\end{cases}$
在输入为正数的时候，函数导数为1，因此不存在梯度消失问题。作为激活函数时网络模型的收敛速度远快于sigmoid和tanh。

maxout函数

假如一个简单的神经网络输入层有x1和x2两个神经元，下一层有4个神经元，x1和x2分别与4个神经元做运算，得到4个输出值，如果我们使用relu函数，那么这4个输出值应当都要经过relu函数计算得到4个激活值。而使用Maxout则是将这个4个值分成两组，即一个组里2个神经元，分别取每组的最大值，最后只输出两个最大值。
Maxout学习出来的激活函数是分段的线性函数。当分组中神经元数量越多时，分段函数的分段就越多，拟合能力越强。事实上relu就可以看成是Maxout函数的一种特殊情况。
Maxout函数在每次反向传播时总是将分组中其他较小的值当做不存在，只更新最大值所在的神经元权重参数。这也与relu类似，relu每次反向传播时对神经元值为0的神经元权重参数不更新，因为该神经元梯度被计算为0。

softplus函数

softplus函数公式:
$Softplus(x)=\log \left(1+e^{x}\right)$
Softplus函数可以看成是ReLU函数的平滑版本。Softplus函数是对全部数据进行了非线性映射，是一种不饱和的非线性函数。它的收敛速度比ReLU函数要慢很多。但是计算量比relu函数要大，因此函数的导数计算起来较为复杂。
softplus函数求导:
$Softplus(x)=\frac{e^{x}}{1+e^{x}}=\frac{1}{1+e^{-x}}=\sigma(x)$
softplus函数求导的结果正好是sigmoid函数。

softmax函数

softmax函数压缩一维向量中的每个元素在0到1之间，并且所有元素总和为1。softmax函数最好在分类器的输出层使用，用来预测输入物体属于某个类的概率。
softmax函数公式:
$\left[ \begin{array}{c}{a_{1}} \\\\ {a_{2}} \\\\ {\dots} \\\\ {a_{N}}\end{array}\right] \rightarrow \left[ \begin{array}{c}{S_{1}} \\\\ {S_{2}} \\\\ {\dots} \\\\ {S_{N}}\end{array}\right]$
右边的矩阵中每一个元素sj的计算公式为:
$S_{j}=\frac{e^{a_{j}}}{\sum_{k=1}^{N} e^{a_{k}}} \quad \forall j \in 1 \ldots N$
Sj范围是(0,1)，所有的Sj的和为1。
我们可以将softmax解释如下:
$S_{j}=P(y=j | a)$
其中y是输出的N个类别中的某个类(取值为1…N)。a是任意一个N维向量。最常见的例子是多类别的逻辑回归，输入的向量x乘以一个权重矩阵W，且该结果输入softmax函数以产生概率。
softmax函数求导:
对于softmax函数第i个输出关于第j个输入的偏导数为:
$\frac{\partial S_{i}}{\partial a_{j}}$
我们使用DjSi来表示这个偏导数。所有偏导数组成了一个雅可比矩阵:
$S=\left[ \begin{array}{ccc}{D_{1} S_{1}} & {\cdots} & {D_{N} S_{1}} \\\\ {\vdots} & {\ddots} & {\vdots} \\\\ {D_{1} S_{N}} & {\cdots} & {D_{N} S_{N}}\end{array}\right]$
计算DjSi时我们必须分别考虑两种情况:

如果i等于j:
$\begin{aligned} \partial \frac{e^{a_{i}}}{\sum_{k=1}^{N} e^{a_{k}}} &=\frac{e^{a_{i}} \sum-e^{a_{j}} e^{a_{i}}}{\sum_{i}^{2}} \\\\ &=\frac{e^{a_{i}}}{\sum} \frac{\sum-e^{a_{j}}}{\sum} \\\\ &=S_{i}\left(1-S_{j}\right) \end{aligned}$
如果i不等于j:
$\begin{aligned} \frac{\partial \frac{e^{a_{i}}}{\sum_{k=1}^{N} e^{a_{k}}}}{\partial a_{j}}=& \frac{0-e^{a_{j}} e^{a_{i}}}{\sum_{j}^{2}} \\\\=&-\frac{e^{a_{j}}}{\sum} \frac{e^{a_{i}}}{\sum} \\\\ &=-S_{j} S_{i} \end{aligned}$
所以softmax函数的导数为:
$D_{j} S_{i}=\begin{cases}{S_{i}\left(1-S_{j}\right)} & {i=j} \\\\ {-S_{j} S_{i}} & {i \neq j}\end{cases}$
在文献中我们常会见到用克罗内克函数来表示softmax函数的导数:
$\delta_{i j}=\begin{cases}{1} & {i=j} \\\\ {0} & {i \neq j}\end{cases}$
则有:
$D_{j} S_{i}=S_{i}\left(\delta_{i j}-S_{j}\right)$