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在深度神经网络(DNN)反向传播算法(BP)中,我们对DNN的前向反向传播算法的使用做了总结。里面使用的损失函数是均方差,而激活函数是Sigmoid。实际上DNN可以使用的损失函数和激活函数不少。这些损失函数和激活函数如何选择呢?下面我们就对DNN损失函数和激活函数的选择做一个总结。
1. 均方差损失函数+Sigmoid激活函数的问题
在讲反向传播算法时,我们用均方差损失函数和Sigmoid激活函数做了实例,首先我们就来看看均方差+Sigmoid的组合有什么问题。
首先我们回顾下Sigmoid激活函数的表达式为:
从图上可以看出,对于Sigmoid,当
在上篇讲的均方差+Sigmoid的反向传播算法中,每一层向前递推都要乘以
2. 使用交叉熵损失函数+Sigmoid激活函数改进DNN算法收敛速度
上一节我们讲到Sigmoid的函数特性导致反向传播算法收敛速度慢的问题,那么如何改进呢?换掉Sigmoid?这当然是一种选择。另一种常见的选择是用交叉熵损失函数来代替均方差损失函数。
我们来看看每个样本的交叉熵损失函数的形式:
![](/qrcode.jpg)
其中,
使用了交叉熵损失函数,就能解决Sigmoid函数导数变化大多数时候反向传播算法慢的问题吗?我们来看看当使用交叉熵时,我们各层
可见此时我们的
对比两者在第L层的
通常情况下,如果我们使用了sigmoid激活函数,交叉熵损失函数肯定比均方差损失函数好用。
3. 使用对数似然损失函数和softmax激活函数进行DNN分类输出
在前面我们讲的所有DNN相关知识中,我们都假设输出是连续可导的值。但是如果是分类问题,那么输出是一个个的类别,那我们怎么用DNN来解决这个问题呢?
比如假设我们有一个三个类别的分类问题,这样我们的DNN输出层应该有三个神经元,假设第一个神经元对应类别一,第二个对应类别二,第三个对应类别三,这样我们期望的输出应该是(1,0,0),(0,1,0)和(0,0,1)这三种。即样本真实类别对应的神经元输出应该无限接近或者等于1,而非改样本真实输出对应的神经元的输出应该无限接近或者等于0。或者说,我们希望输出层的神经元对应的输出是若干个概率值,这若干个概率值即我们DNN模型对于输入值对于各类别的输出预测,同时为满足概率模型,这若干个概率值之和应该等于1。
DNN分类模型要求是输出层神经元输出的值在0到1之间,同时所有输出值之和为1。很明显,现有的普通DNN是无法满足这个要求的。但是我们只需要对现有的全连接DNN稍作改良,即可用于解决分类问题。在现有的DNN模型中,我们可以将输出层第i个神经元的激活函数定义为如下形式:
其中,
很容易看出,所有的
这个方法很简洁漂亮,仅仅只需要将输出层的激活函数从Sigmoid之类的函数转变为上式的激活函数即可。上式这个激活函数就是我们的softmax激活函数。它在分类问题中有广泛的应用。将DNN用于分类问题,在输出层用softmax激活函数也是最常见的了。
下面这个例子清晰的描述了softmax激活函数在前向传播算法时的使用。假设我们的输出层为三个神经元,而未激活的输出为3,1和-3,我们求出各自的指数表达式为:20,2.7和0.05,我们的归一化因子即为22.75,这样我们就求出了三个类别的概率输出分布为0.88,0.12和0。
从上面可以看出,将softmax用于前向传播算法是也很简单的。那么在反向传播算法时还简单吗?反向传播的梯度好计算吗?答案是Yes!
对于用于分类的softmax激活函数,对应的损失函数一般都是用对数似然函数,即:
其中
其中
可见损失函数只和真实类别对应的输出有关,这样假设真实类别是第i类,则其他不属于第i类序号对应的神经元的梯度导数直接为0。对于真实类别第i类,它的
同样的可以得到
可见,梯度计算也很简洁,也没有第一节说的训练速度慢的问题。举个例子,假如我们对于第2类的训练样本,通过前向算法计算的未激活输出为(1,5,3),则我们得到softmax激活后的概率输出为:(0.015,0.866,0.117)。由于我们的类别是第二类,则反向传播的梯度应该为:(0.015,0.866-1,0.117)。是不是很简单呢?
当softmax输出层的反向传播计算完以后,后面的普通DNN层的反向传播计算和之前讲的普通DNN没有区别。
4. 梯度爆炸梯度消失与ReLU激活函数
学习DNN,大家一定听说过梯度爆炸和梯度消失两个词。尤其是梯度消失,是限制DNN与深度学习的一个关键障碍,目前也没有完全攻克。
什么是梯度爆炸和梯度消失呢?从理论上说都可以写一篇论文出来。不过简单理解,就是在反向传播的算法过程中,由于我们使用了是矩阵求导的链式法则,有一大串连乘,如果连乘的数字在每层都是小于1的,则梯度越往前乘越小,导致梯度消失,而如果连乘的数字在每层都是大于1的,则梯度越往前乘越大,导致梯度爆炸。
比如我们在前一篇反向传播算法里面讲到了
如果不巧我们的样本导致每一层
而对于梯度爆炸,则一般可以通过调整我们DNN模型中的初始化参数得以解决。
对于无法完美解决的梯度消失问题,目前有很多研究,一个可能部分解决梯度消失问题的办法是使用ReLU(Rectified Linear Unit)激活函数,ReLU在卷积神经网络CNN中得到了广泛的应用,在CNN中梯度消失似乎不再是问题。那么它是什么样子呢?其实很简单,比我们前面提到的所有激活函数都简单,表达式为:
也就是说大于等于0则不变,小于0则激活后为0。就这么一玩意就可以解决梯度消失?至少部分是的。具体的原因现在其实也没有从理论上得以证明。这里我也就不多说了。
5. DNN其他激活函数
除了上面提到了激活函数,DNN常用的激活函数还有:
1) tanh:这个是sigmoid的变种,表达式为:
tanh激活函数和sigmoid激活函数的关系为:
tanh和sigmoid对比主要的特点是它的输出落在了[-1,1],这样输出可以进行标准化。同时tanh的曲线在较大时变得平坦的幅度没有sigmoid那么大,这样求梯度变化值有一些优势。当然,要说tanh一定比sigmoid好倒不一定,还是要具体问题具体分析。
2) softplus:这个其实就是sigmoid函数的原函数,表达式为:
它的导数就是sigmoid函数。softplus的函数图像和ReLU有些类似。它出现的比ReLU早,可以视为ReLU的鼻祖。
3)PReLU:从名字就可以看出它是ReLU的变种,特点是如果未激活值小于0,不是简单粗暴的直接变为0,而是进行一定幅度的缩小。如下图。当然,由于ReLU的成功,有很多的跟风者,有其他各种变种ReLU,这里就不多提了。
6. DNN损失函数和激活函数小结
上面我们对DNN损失函数和激活函数做了详细的讨论,重要的点有:1)如果使用sigmoid激活函数,则交叉熵损失函数一般肯定比均方差损失函数好。2)如果是DNN用于分类,则一般在输出层使用softmax激活函数和对数似然损失函数。3)ReLU激活函数对梯度消失问题有一定程度的解决,尤其是在CNN模型中。
下一篇我们讨论下DNN模型的正则化问题。
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参考资料:
1) Neural Networks and Deep Learning by By Michael Nielsen
2) Deep Learning, book by Ian Goodfellow, Yoshua Bengio, and Aaron Courville