- Python人工智能
- 李晓东编著
- 2001字
- 2025-02-21 13:30:37
3.2 神经激活函数
取决于不同的架构和问题，人工神经网络中存在几种不同的神经激活函数。本节将讨论最常用的激活函数，因为这些函数决定了网络的架构和性能。线性激活函数和Sigmoid激活函数曾经在人工神经网络中使用较多，直到Hinton等人发明了修正线性单元（Rectified Linear Unit，ReLU），ReLU使人工神经网络的性能产生了翻天覆地的变化。
3.2.1 线性激活函数
线性激活函数神经元输出的是总输入对神经元的衰减，如图3-4所示。
图3-4 线性激活函数神经元
如果x是线性激活函数神经元的总输入，那么输出y如下所示。
3.2.2 Sigmoid激活函数
Sigmoid激活函数简称Sigmoid函数，也被称为S型函数。它可以将整个实数区间映射到（0,1）区间，因此经常被用来计算概率。它也是传统人工神经网络中经常被使用的一种激活函数。
Sigmoid函数的公式定义为
Sigmoid函数曲线如图3-5所示，其中，x的范围可以是正无穷到负无穷，但是对应y的范围为0～1，所以经过Sigmoid函数输出的值都会落在0～1的区间里，即Sigmoid函数能够把输入的值“压缩”到0～1。
图3-5 Sigmoid函数曲线
对于自然界中的各种复杂过程，输入与输出的关系通常是非线性的，因此，我们需要使用非线性激活函数通过神经网络来对它们建模。一个二元分类问题的神经网络，它的输出概率由Sigmoid神经元的输出给出，因为它的输出范围是0～1。输出概率可表示为
此处，x表示输出层中的Sigmoid神经元的总输入。
【例3-1】 利用Python绘制Sigmoid激活函数。
运行程序，效果如图3-6所示。
图3-6 Python绘制的Sigmoid激活函数
3.2.3 双曲正切激活函数
双曲正切激活函数（Hyperbolic Tangent Activation Function）又被称为tanh函数。它将整个实数区间映射到（-1,1），tanh函数也具有软饱和性。它的输出以0为中心，tanh函数的收敛速度比Sigmoid函数快。由于存在软饱和性，所以tanh函数也存在梯度消失的问题。
tanh函数的公式定义为
如图3-7所示，tanh函数输出值的范围是[-1,1]。
图3-7 tanh函数
值得注意的是，Sigmoid函数和tanh函数在一个小范围内是线性的，在此范围之外则输出趋于饱和。在饱和区间，激活函数（相对输入）的梯度非常小或趋于零，这意味着它们很容易产生梯度消失问题。之后可以看到，人工神经网络可以从反向传播方法学习，其中每一层的梯度由下一层激活函数的梯度决定，直到最终的输出层。因此，如果单元中的激活函数处于饱和区间，那么极少数的误差会被反向传播至之前的神经网络层。通过利用梯度，神经网络最小化预测误差来学习权重和偏置（W）。这意味着，如果梯度太小或趋于零，那么神经网络将无法有效地学习这些权重。
【例3-2】 利用Python绘制tanh函数。
运行程序，效果如图3-8所示。
图3-8 Python绘制的tanh函数
3.2.4 修正线性激活函数
当神经元的总输入大于零的时候，修正线性单元（ReLU）的输出是线性的；当总输入为负数时，输出为零。这个简单的激活函数为神经网络提供了非线性变换，同时，它为总输入提供了一个恒定的梯度。这个恒定的梯度可帮助人工神经网络避免其他激活函数（如Sigmoid函数和tanh函数）出现梯度消失问题。ReLU函数的输出为
ReLU函数如图3-9所示。
图3-9 ReLU函数
ReLU函数是目前比较火的一个激活函数，相比Sigmoid函数和tanh函数，它有以下优点：
（1）在输入为正数的时候，不存在梯度饱和问题。
（2）计算速度要快很多。ReLU函数只有线性关系，不管是前向传播还是反向传播，都比Sigmoid函数和tanh函数要快很多（Sigmoid函数和tanh函数要计算指数，计算速度会比较慢）。
当然，缺点也是有的：
（1）当输入是负数的时候，ReLU函数是完全不被激活的，这表明一旦输入负数，ReLU函数就会失效。这在前向传播过程中，还不算什么问题，因为有的区域是敏感的，有的区域是不敏感的。但是在反向传播过程中，输入负数，梯度就会完全到0，这个和Sigmoid函数、tanh函数有一样的问题。
（2）ReLU函数的输出要么是0，要么是正数，这也就是说，ReLU函数也不是以0为中心的函数。
【例3-3】 Python绘制ReLU函数。
运行程序，效果如图3-10所示。
图3-10 Python绘制的ReLU函数
3.2.5 PReLU激活函数
ReLU函数的一个缺点是它对负数输入的零梯度。这可能会降低训练的速度，尤其是在初始阶段。在这种情况下，带参数的修正线性单元（PReLU）激活函数（简称PReLU函数，见图3-11）会很有用，对于负数的输入，输出和梯度都不是零。PReLU函数为
图3-11 PReLU函数
PReLU函数是针对ReLU函数的一个改进函数，在负数区域内，PReLU函数有一个很小的斜率，这样也可以避免ReLU函数失效。相比ReLU函数，PReLU函数在负数区域内进行线性运算，斜率虽然小，但是不会趋于0。
在PReLU函数公式中，参数a一般取0～1的数，而且取值比较小，如零点零几。当a=0.01时，我们称PReLU函数为Leaky ReLU函数，是PReLU函数的一种特殊情况。
【例3-4】 利用Python绘制PReLU函数。
运行程序，效果如图3-12所示。
图3-12 Python绘制的PReLU函数
3.2.6 softmax激活函数
softmax激活函数常被用于多分类问题，其输出为不同类别的概率。假设我们需要处理一个包含n个类别的分类问题，那么所有类别的总输入可用下面的公式表示。
在这种情况下，可以通过softmax激活函数给出第k个类别的输出概率。
还有很多其他激活函数，通常是这些基本激活函数的变形形式。
softmax激活函数在机器学习中有非常广泛的应用，下面利用softmax激活函数对MNIST数据进行分类，演示softmax激活函数对分类的处理效果。
【例3-5】 对MNIST数据进行分类处理。
运行程序，输出如下：
