【2024年】第1天 神经网络中的激活函数（pytorch）

• 激活函数可以理解为一个特殊的网络层。
• 主要作用：是通过加入非线性因素，弥补线性模型表达能力不足的缺陷。
• 神经网络的数学基础是处处可微分的函数，所以选择的激活函数要能保证数据输入与输出也是可微分的。

1. Sigmoid函数

• Sigmoid是常用的非线性激活函数，他的数学形式为f(x) = 1/ (1+e^-x) ，它的x值可以是负无穷到正无穷之间的值，但是对应的f(x)的值却只有0到1之间的值，因此，输出的值都会落在0和1之间。
• 也就是说，它能够把输入的连续实数值“压缩”到0和1之间。
• LogSigmoid即对Sigmoid函数的输出值再取对数，它的数学形式为：LogSigmoid(x) = log(Sigmoid(x))
• 该激活函数常用来与NLLLoss损失函数一起使用，用在神经网络反向传播过程中的计算交叉熵环节。
• torch.nn.Sigmoid()：激活函数Sigmoid的实现。
• torch.nn.LogSigmoid()：激活函数LogSigmoid的具体实现。

import torch
import torch.nn as nn

# 定义两个随机数
input = torch.autograd.Variable(torch.randn(2))
print(input)

result1 = nn.Sigmoid()(input)
print(result1)

result2 = nn.LogSigmoid()(input)
print(result2)

• 我们可以看到通过Sigmoid激活函数的张量一直都处在0-1之间。
• 通过LogSigmoid激活函数的张量是小于0的。

2. tanh函数

• tanh可以是Sigmoid的值域的升级版，将函数输出值的取值范围由Sigmoid的0-1，升级到-1到1。
• 但是tanh不能完全代替Sigmoid，在某些输出下需要大于0的情况，我们就需要使用Sigmoid。
• tanh也是常用的非线性的激活函数，他的数学形式为：tanh(x) = 2Sigmoid(2x) -1
• 它的x取值范围也是负无穷到正无穷，对应的y变为从1到-1，相对于Sigmoid函数有更广的值域。
• tanh与Sigmoid有一样的缺陷，也存在饱和问题，因为在使用tanh时，也要注意，输入值的绝对值不能过大，不然模型无法训练。

import torch
import torch.nn as nn

# 定义两个随机数
input = torch.autograd.Variable(torch.randn(2))
print(input)

result0 = nn.Tanh()(input)
print(result0,'\n')

• 我们可以看到经过tanh激活函数的张量值处于-1到1之间。

3. ReLU函数

• ReLU函数的数学形式为f(x) = max(0, x)
• 如果x>0，那么函数的返回值为x本身，否则函数的返回值为0。
• 它是重视正向信号，忽略负向信号的特征。
• 因此在神经网络中，使用ReLU可以取得很好的拟合效果。
• 由于其运算简单，因此大大提升了机器的运行效率，这也是一个很大的优点。
• torch.nn.ReLU(input, inplace=False)是一般的ReLU函数，即max(input, 0)。
• 如果参数inplace为True则会改变输入的数据，否则不会改变原有的输入，只会产生新的输出。

4. Softplus函数

• Softplus函数是根据ReLU函数演变而来，函数曲线会更加平滑，但是计算量会更大，而且对于小于0的值会保留的更多一些。
• Softplus函数的数学形式为f(x) = (1/β) In(1+e^βx)
• 使用方法：

result3 = nn.Softplus(beta=1, threshold=20)
print(result3)

• 其中beta为数学表达式中的β。
• 参数threshold为激活函数输出的最大阈值。

5. ReLU6函数

• 将ReLU函数的最大值控制在6，该激活函数可以有效的防止在训练过程中的梯度爆炸现象。
• 数学形式为：f(x)=min(max(0,x), 6)

6. LeakyReLU函数

• 在ReLU基础上保留了一部分负值，在x为负的时候将其乘以0.01，即LeakyReLU对负信号不是一味地拒绝，而是将其缩小。
• 数学形式为：
  $$f(x)=\{\begin{array}{ll}x& (0\le x)\\ 0.01x& (0>x)\end{array}$$
• 再进一步将这个0.01换为可调参数，于是有当x<0时，将其乘以negativeslope，且negativeslope小于或等于1。
• 数学形式为：
  $$f(x)=\{\begin{array}{ll}X& (0\le X)\\ negativeslope\times X& (0>X)\end{array}$$
• 上述分段函数就等价于f(x) = max(x, negativeslopeslope × X)
• 所以我们最后得到LeakyReLU的公式max(x,negativeslope × X)

7. PReLU函数

• 与LeakyReLU的公式类似，唯一不同的地方是，PReLU中的参数是通过自学习得来的。
• 数学公式为：f(x) = max(x, ax)
• 其中a是一个自学习得到的参数。

8.ELU函数

• 当x<0时，进行了更复杂的变化：

$$f(x)=\{\begin{array}{ll}X& (0\le X)\\ a(e^x-1)& (0>X)\end{array}$$

• ELU激活函数与ReLU一样，都是不带参数的，但是ELU的收敛速度比ReLU更快。
• 在使用ELU时，不使用批处理能够比使用批处理获得更好的效果。
• ELU不使用批处理的效果比ReLU加批处理的效果更好。