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深度学习中的激活函数

news 2025/7/11 5:52:37

一、引言

在深度学习模型中，激活函数扮演着至关重要的角色。它们为神经网络引入了非线性因素，使得网络能够学习和表示复杂的数据模式。激活函数位于神经网络的每个神经元之后，通过对输入信号进行非线性转换，决定该神经元是否应该被激活以及激活的程度。

常见的激活函数包括：

  1. Sigmoid函数：将输入压缩到(0,1)区间，适合二分类问题
  2. ReLU（Rectified Linear Unit）函数：f(x)=max(0,x)，计算简单且能缓解梯度消失问题
  3. Tanh函数：将输入压缩到(-1,1)区间，输出以0为中心
  4. Leaky ReLU：改进版的ReLU，给负值区域一个小的斜率

激活函数的选择会直接影响：

  • 网络的收敛速度
  • 梯度消失/爆炸问题的严重程度
  • 模型的最终性能表现

在实际应用中，ReLU及其变体是最常用的选择，因为它们在保持良好性能的同时计算效率高。对于深层网络，有时会采用Swish或GELU等更复杂的激活函数来进一步提升模型性能。

本文将全面介绍深度学习中常见的激活函数，包括它们的数学原理、特性、优缺点以及在实际应用中的选择策略。

二、常见激活函数详解

2.1 Sigmoid函数

2.1.1 公式

Sigmoid函数的数学表达式为：

 

2.1.2 特征

  • 将输入值压缩到(0,1)区间（它将输入映射到0到1之间的值，因此非常适合处理概率问题。 ）

  • 平滑且易于求导

  • 常用于二分类问题的输出层

2.1.3 缺点

  • 容易导致梯度消失问题

  • 输出不以0为中心

  • 计算量较大

2.1.4 函数绘制与实现
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as pltdef sigmoid(x):return 1 / (1 + np.exp(-x))x = np.linspace(-10, 10, 100)
y = sigmoid(x)plt.figure(figsize=(8, 4))
plt.plot(x, y, label='Sigmoid')
plt.title("Sigmoid Activation Function")
plt.xlabel("Input")
plt.ylabel("Output")
plt.grid(True)
plt.legend()
plt.show()

 

2.2 Tanh函数（双曲正切函数）

2.2.1 公式

 

2.2.2 特征

  • 输出范围: 将输入映射到(-1, 1)之间，因此输出是零中心的。相比于Sigmoid函数，这种零中心化的输出有助于加速收敛。

  • 对称性: Tanh函数是关于原点对称的奇函数，因此在输入为0时，输出也为0。这种对称性有助于在训练神经网络时使数据更平衡。

  • 平滑性: Tanh函数在整个输入范围内都是连续且可微的，这使其非常适合于使用梯度下降法进行优化。 

2.2.3 缺点

  • 仍然存在梯度消失问题

  • 计算成本较高

2.2.4 函数绘制
def tanh(x):return np.tanh(x)x = np.linspace(-5, 5, 100)
y = tanh(x)plt.figure(figsize=(8, 4))
plt.plot(x, y, label='Tanh')
plt.title("Tanh Activation Function")
plt.xlabel("Input")
plt.ylabel("Output")
plt.grid(True)
plt.legend()
plt.show()

 

2.3 ReLU函数（修正线性单元）

2.3.1 公式

 

2.3.2 特征

  • 计算简单高效

  • 缓解了梯度消失问题

  • 在实际应用中表现良好

2.3.3 缺点

  • "死亡ReLU"问题（负区间梯度为0）

  • 输出不以0为中心

2.3.4 函数绘制与PyTorch实现
def relu(x):return np.maximum(0, x)x = np.linspace(-5, 5, 100)
y = relu(x)plt.figure(figsize=(8, 4))
plt.plot(x, y, label='ReLU')
plt.title("ReLU Activation Function")
plt.xlabel("Input")
plt.ylabel("Output")
plt.grid(True)
plt.legend()
plt.show()# PyTorch实现
import torch
import torch.nn as nnrelu_layer = nn.ReLU(inplace=False)
"""
inplace参数说明：
- 如果设为True，会直接修改输入数据以节省内存
- 默认为False，保留原始输入
"""
input_tensor = torch.randn(5)
output = relu_layer(input_tensor)
print(f"Input: {input_tensor}")
print(f"ReLU Output: {output}")

 

2.4 LeakyReLU函数

2.4.1 公式

 

2.4.2 特征

  • 解决了"死亡ReLU"问题

  • 在负区间有小的斜率

  • 保持了ReLU的大部分优点

2.4.3 缺点

  • 需要手动设置α参数

  • 结果可能不一致（不同α导致不同表现）

2.4.4 函数绘制与TensorFlow实现
def leaky_relu(x, alpha=0.01):return np.where(x > 0, x, alpha * x)x = np.linspace(-5, 5, 100)
y = leaky_relu(x)plt.figure(figsize=(8, 4))
plt.plot(x, y, label='LeakyReLU (α=0.01)')
plt.title("LeakyReLU Activation Function")
plt.xlabel("Input")
plt.ylabel("Output")
plt.grid(True)
plt.legend()
plt.show()# TensorFlow实现
import tensorflow as tfleaky_relu_layer = tf.keras.layers.LeakyReLU(alpha=0.3)
"""
参数说明：
- alpha: 负区间的斜率系数，默认为0.3
"""
input_tensor = tf.constant([-3.0, -1.0, 0.0, 1.0, 3.0])
output = leaky_relu_layer(input_tensor)
print(f"Input: {input_tensor}")
print(f"LeakyReLU Output: {output}")

 

2.5 Softmax函数

2.5.1 公式

 

 

2.5.2 特征

  • 将输入转换为概率分布

  • 输出总和为1

  • 常用于多分类问题的输出层

2.5.3 缺点

  • 数值不稳定（可能溢出）

  • 不适用于隐藏层

2.5.4 代码实现与参数详解
def softmax(x):# 减去最大值以提高数值稳定性e_x = np.exp(x - np.max(x))return e_x / e_x.sum(axis=0)x = np.array([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 1.0])
y = softmax(x)print(f"Input: {x}")
print(f"Softmax Output: {y}")
print(f"Sum of outputs: {np.sum(y)}")  # 应该为1.0# PyTorch实现
softmax_layer = nn.Softmax(dim=1)
"""
参数说明：
- dim: 指定沿着哪个维度计算softmax
"""
input_tensor = torch.randn(2, 3)
output = softmax_layer(input_tensor)
print(f"Input shape: {input_tensor.shape}")
print(f"Softmax Output:\n{output}")
print(f"Sum along dim=1: {output.sum(dim=1)}")  # 每行和为1

运行结果：

Input: [1. 2. 3. 4. 1.]
Softmax Output: [0.03106277 0.08443737 0.22952458 0.6239125  0.03106277]
Sum of outputs: 1.0
Input shape: torch.Size([2, 3])
Softmax Output:
tensor([[0.5743, 0.0637, 0.3620],[0.0482, 0.8443, 0.1075]])
Sum along dim=1: tensor([1.0000, 1.0000])

三、如何选择激活函数

3.1 隐藏层的激活函数选择

在选择隐藏层激活函数时，需要考虑梯度消失/爆炸问题、计算效率以及模型的收敛速度等因素。以下是常见的选择方案：

ReLU及其变种：

  • 普通ReLU (Rectified Linear Unit)：f(x)=max(0,x)

    • 优点：计算简单，收敛快，避免了梯度消失问题
    • 适用场景：大多数前馈神经网络的隐藏层
    • 示例：在CNN的图像分类任务中表现优异

  • LeakyReLU：f(x)=max(αx,x)，通常α=0.01

    • 优点：解决了"死亡神经元"问题（神经元永远不激活）
    • 适用场景：当观察到大量神经元输出为0时
    • 示例：在GAN的判别器网络中经常使用

  • Parametric ReLU (PReLU)：f(x)=max(αx,x)，α可学习

    • 优点：自适应调整负区间斜率
    • 适用场景：大型深层网络
    • 示例：在ImageNet分类任务中表现优于普通ReLU

其他激活函数：

  • Tanh (双曲正切)：f(x)=(e^x-e^-x)/(e^x+e^-x)

    • 特点：输出范围[-1,1]，有零中心特性
    • 适用场景：LSTM等RNN结构
    • 示例：在文本生成任务中表现良好

  • Sigmoid：f(x)=1/(1+e^-x)

    • 缺点：容易导致梯度消失，输出非零中心
    • 不建议用于：深层网络的隐藏层
    • 例外情况：某些特殊网络结构可能仍会使用

3.2 输出层的激活函数选择

输出层激活函数的选择主要取决于任务类型：

二分类问题：

  • Sigmoid函数
    • 原因：将输出压缩到(0,1)区间，可解释为概率
    • 示例：垃圾邮件分类、疾病诊断
    • 配套损失函数：二元交叉熵

多分类问题：

  • Softmax函数
    • 特点：将多个输出归一化为概率分布
    • 适用场景：类别互斥的分类任务
    • 示例：MNIST手写数字识别（10分类）
    • 配套损失函数：分类交叉熵

回归问题：

  • 线性激活（无激活函数）
    • 适用场景：输出值无限制的回归任务
    • 示例：房价预测、温度预测
  • ReLU激活
    • 适用场景：输出必须非负的回归任务
    • 示例：预测商品销量、预测用户停留时长
    • 注意事项：可能导致输出不连续

四、参数初始化与激活函数的关系

4.1 全零初始化的危害

# 错误的全零初始化示例
linear_layer = nn.Linear(10, 5)
nn.init.zeros_(linear_layer.weight)  # 全零初始化权重# 前向传播时所有神经元将计算相同的梯度
# 导致所有神经元学习相同的特征（对称性问题）

4.2 推荐的初始化方法

1.Xavier/Glorot初始化：适合Sigmoid和Tanh

nn.init.xavier_uniform_(linear_layer.weight)

2.He初始化：适合ReLU及其变种 

nn.init.kaiming_normal_(linear_layer.weight, mode='fan_in', nonlinearity='relu')
"""
参数说明：
- mode: 'fan_in'保持前向传播方差，'fan_out'保持反向传播方差
- nonlinearity: 使用的非线性函数类型('relu'或'leaky_relu')
"""

五、实际应用中的注意事项

  1. 梯度消失/爆炸：选择合适的激活函数和初始化方法

  2. 计算效率：ReLU通常比Sigmoid/Tanh快

  3. 批量归一化：可以与激活函数配合使用提高性能

  4. 死亡神经元：使用LeakyReLU或调整学习率

六、总结

本文详细介绍了深度学习中常见的激活函数，包括它们的数学原理、实现方式、优缺点以及在实际应用中的选择策略。理解这些激活函数的特性对于设计和优化神经网络至关重要。在实践中，ReLU及其变种通常是隐藏层的首选，而输出层的选择则取决于具体任务类型。结合适当的参数初始化方法，可以显著提高模型的训练效果和收敛速度。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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