激活函数：Sigmod&tanh&Softplus&Relu详解

什么是激活函数？

激活函数（Activation functions）对于人工神经网络模型去学习、理解非常复杂和非线性的函数来说具有十分重要的作用。

它们将非线性特性引入到我们的网络中。其主要目的是将A-NN模型中一个节点的输入信号转换成一个输出信号。该输出信号现在被用作堆叠中下一个层的输入。

如果我们不运用激活函数的话，则输出信号将仅仅是一个简单的线性函数。线性函数一个一级多项式。现如今，线性方程是很容易解决的，但是它们的复杂性有限，并且从数据中学习复杂函数映射的能力更小。

一个没有激活函数的神经网络将只不过是一个线性回归模型（Linear regression Model）罢了，它功率有限，并且大多数情况下执行得并不好。我们希望我们的神经网络不仅仅可以学习和计算线性函数，而且还要比这复杂得多。

同样是因为没有激活函数，我们的神经网络将无法学习和模拟其他复杂类型的数据，例如图像、视频、音频、语音等。这就是为什么我们要使用人工神经网络技术，诸如深度学习（Deep learning），来理解一些复杂的事情，一些相互之间具有很多隐藏层的非线性问题，而这也可以帮助我们了解复杂的数据。

那么为什么我们需要非线性函数？

非线性函数是那些一级以上的函数，而且当绘制非线性函数时它们具有曲率。现在我们需要一个可以学习和表示几乎任何东西的神经网络模型，以及可以将输入映射到输出的任意复杂函数。

神经网络被认为是通用函数近似器（Universal Function Approximators）。这意味着他们可以计算和学习任何函数。几乎我们可以想到的任何过程都可以表示为神经网络中的函数计算。

而这一切都归结于这一点，我们需要应用激活函数f（x），以便使网络更加强大，增加它的能力，使它可以学习复杂的事物，复杂的表单数据，以及表示输入输出之间非线性的复杂的任意函数映射。因此，使用非线性激活函数，我们便能够从输入输出之间生成非线性映射。

激活函数的另一个重要特征是：它应该是可以区分的。我们需要这样做，以便在网络中向后推进以计算相对于权重的误差（丢失）梯度时执行反向优化策略，然后相应地使用梯度下降或任何其他优化技术优化权重以减少误差。

激活函数

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：

Sigmoid

数学公式：

sigmoid非线性函数的数学公式是

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

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 $w$ 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

$tanh(x)=2\sigma(2x)-1\\$

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。

ReLU

数学公式：

函数公式是 $f(x)=max(0,x)\\$

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

$f(y)=max(\varepsilon y,y)\\$

其中 $\varepsilon$ 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 $\varepsilon$ 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。