[转] 各种激活函数对比

常规路径，再过一遍各种激活函数

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每个激活函数的输入都是一个数字，然后对其进行某种固定的数学操作。激活函数给神经元引入了非线性因素，如果不用激活函数的话，无论神经网络有多少层，输出都是输入的线性组合。

激活函数的发展经历了Sigmoid -> Tanh -> ReLU -> Leaky ReLU -> Maxout这样的过程，还有一个特殊的激活函数Softmax，因为它只会被用在网络中的最后一层，用来进行最后的分类和归一化。本文简单来梳理这些激活函数是如何一步一步演变而来的。

总结如下，先贴图：

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Sigmoid

数学公式：

sigmoid非线性函数的数学公式是

函数图像如下图所示。它输入实数值并将其“挤压”到0到1范围内，适合输出为概率的情况，但是现在已经很少有人在构建神经网络的过程中使用sigmoid。

 

Sigmoid函数图像

存在问题：

• Sigmoid函数饱和使梯度消失。当神经元的激活在接近0或1处时会饱和，在这些区域梯度几乎为0，这就会导致梯度消失，几乎就有没有信号通过神经传回上一层。
• Sigmoid函数的输出不是零中心的。因为如果输入神经元的数据总是正数，那么关于的梯度在反向传播的过程中，将会要么全部是正数，要么全部是负数，这将会导致梯度下降权重更新时出现z字型的下降。

 

Tanh

数学公式：

Tanh非线性函数的数学公式是

Tanh非线性函数图像如下图所示，它将实数值压缩到[-1,1]之间。

Tanh函数图像

存在问题：

Tanh解决了Sigmoid的输出是不是零中心的问题，但仍然存在饱和问题。

 

为了防止饱和，现在主流的做法会在激活函数前多做一步batch normalization，尽可能保证每一层网络的输入具有均值较小的、零中心的分布。

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ReLU

数学公式：

函数公式是

ReLU非线性函数图像如下图所示。相较于sigmoid和tanh函数，ReLU对于随机梯度下降的收敛有巨大的加速作用；sigmoid和tanh在求导时含有指数运算，而ReLU求导几乎不存在任何计算量。

对比sigmoid类函数主要变化是：

1）单侧抑制；

2）相对宽阔的兴奋边界；

3）稀疏激活性。

ReLU函数图像

存在问题：

ReLU单元比较脆弱并且可能“死掉”，而且是不可逆的，因此导致了数据多样化的丢失。通过合理设置学习率，会降低神经元“死掉”的概率。

 

Leaky ReLU

数学公式：

函数公式是

其中  是很小的负数梯度值，比如0.01，Leaky ReLU非线性函数图像如下图所示。这样做目的是使负轴信息不会全部丢失，解决了ReLU神经元“死掉”的问题。更进一步的方法是PReLU，即把  当做每个神经元中的一个参数，是可以通过梯度下降求解的。

Leaky ReLU函数图像

 

Maxout

数学公式：

Maxout是对ReLU和leaky ReLU的一般化归纳，函数公式是

Maxout非线性函数图像如下图所示。Maxout具有ReLU的优点，如计算简单，不会 saturation，同时又没有ReLU的一些缺点，如容易go die。

Maxout函数图像

存在问题：

每个神经元的参数double，这就导致整体参数的数量激增。

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Softmax

数学公式：

Softmax用于多分类神经网络输出，目的是让大的更大。函数公式是

示意图如下。

Softmax示意图

Softmax是Sigmoid的扩展，当类别数k＝2时，Softmax回归退化为Logistic回归。