Tensorflow学习笔记（六）几种常见的激活函数介绍及用matplotlib画图

1. 什么是激活函数

如下图，在神经元中，输入的 inputs 通过加权，求和后，还被作用了一个函数，这个函数就是激活函数 Activation
Function。

                   

2. 为什么要用

如果不用激励函数，每一层输出都是上层输入的线性函数，无论神经网络有多少层，输出都是输入的线性组合。
如果使用的话，激活函数给神经元引入了非线性因素，使得神经网络可以任意逼近任何非线性函数，这样神经网络就可以应用到众多的非线性模型中。              

3.激活函数

（1）sigmoid                     

历史上，sigmoid函数曾非常常用，然而现在它已经不太受欢迎，实际很少使用了，因为它主要有两个缺点：
1.
函数饱和使梯度消失：sigmoid 神经元在值为 0 或 1的时候接近饱和，这些区域，梯度几乎为 0。因此在反向传播时，这个局部梯度会与整个代价函数关于该单元输出的梯度相乘，结果也会接近为 0 。
这样，几乎就没有信号通过神经元传到权重再到数据了，因此这时梯度就对模型的更新没有任何贡献。除此之外，为了防止饱和，必须对于权重矩阵的初始化特别留意。比如，如果初始化权重过大，那么大多数神经元将会饱和，导致网络就几乎不学习。
2.
sigmoid 函数不是关于原点中心对称的
这个特性会导致后面网络层的输入也不是零中心的，进而影响梯度下降的运作。
因为如果输入都是正数的话（如 f=wTx+bf=wTx+b 中每个元素都x>0 ），那么关于 w的梯度在反向传播过程中，要么全是正数，要么全是负数（具体依据整个表达式 f而定），这将会导致梯度下降权重更新时出现 z 字型的下降。
当然，如果是按batch 去训练，那么每个 batch 可能得到不同的信号，整个批量的梯度加起来后可以缓解这个问题。因此，该问题相对于上面的神经元饱和问题来说只是个小麻烦，没有那么严重。

（2）Relu

ReLU. 近年来，ReLU 变的越来越受欢迎。它的数学表达式是： f(x)=max(0,x)。很显然，从上图左可以看出，输入信号 

<0时，输出为0，>0时，输出等于输入。ReLU的优缺点如下：

优点：
1.相比起Sigmoid和tanh，ReLU(e.g. a factor of 6in Krizhevsky et al.)在SGD中能够快速收敛。据称，这是因为它线性、非饱和的形式。
2.Sigmoid和tanh涉及了很多很expensive的操作（比如指数），ReLU可以更加简单的实现。
3.有效缓解了梯度消失的问题。
4.在没有无监督预训练的时候也能有较好的表现。
5.提供了神经网络的稀疏表达能力。
缺点：
随着训练的进行，可能会出现神经元死亡，权重无法更新的情况。如果发生这种情况，那么流经神经元的梯度从这一点开始将永远是0。也就是说，ReLU神经元在训练中不可逆地死亡了。 ReLU在训练的时候很”脆弱”，一不小心有可能导致神经元”坏死”。举个例子：由于ReLU在x<0时梯度为0，这样就导致负的梯度在这个ReLU被置零，而且这个神经元有可能再也不会被任何数据激活。如果这个情况发生了，那么这个神经元之后的梯度就永远是0了，也就是ReLU神经元坏死了，不再对任何数据有所响应。实际操作中，如果你的learning
rate 很大，那么很有可能你网络中的40%的神经元都坏死了。 当然，如果你设置了一个合适的较小的learning rate，这个问题发生的情况其实也不会太频繁。

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。
         Leaky ReLUs 就是用来解决ReLU坏死的问题的。和ReLU不同，当x<0时，它的值不再是0，而是一个较小斜率(如0.01等)的函数。也就是说f(x)=1(x<0)(ax)+1(x>=0)(x),其中a是一个很小的常数。这样，既修正了数据分布，又保留了一些负轴的值，使得负轴信息不会全部丢失。关于Leaky ReLU 的效果，众说纷纭，没有清晰的定论。有些人做了实验发现 LeakyReLU 表现的很好;有些实验则证明并不是这样。 
- PReLU. 对于 Leaky ReLU 中的a，通常都是通过先验知识人工赋值的。然而可以观察到，损失函数对a的导数我们是可以求得的，可不可以将它作为一个参数进行训练呢? Kaiming He 2015的论文《Delving Deep into Rectifiers: Surpassing Human-Level Performance
onImageNet Classification》指出，不仅可以训练，而且效果更好。原文说使用了Parametric ReLU后，最终效果比不用提高了1.03%. 

-Randomized Leaky ReLU. Randomized Leaky ReLU 是leaky ReLU 的random 版本, 其核心思想就是，在训练过程中，a是从一个高斯分布中随机出来的，然后再在测试过程中进行修正。 

（3）tanh

tanh 函数同样存在饱和问题，但它的输出是零中心的，因此实际中 tanh 比 sigmoid 更受欢迎。                 


优点：

1.比Sigmoid函数收敛速度更快。

2.相比Sigmoid函数，其输出以0为中心。
缺点：

还是没有改变Sigmoid函数的最大问题——由于饱和性产生的梯度消失。

（4）ELU

ELU被定义为

f(x)={a(ex−1)xif(x<0)if(0≤x)
其中a>0




优点：

1.ELU减少了正常梯度与单位自然梯度之间的差距，从而加快了学习。

2.在负的限制条件下能够更有鲁棒性。
另附画图程序，将其他一些激活函数也画了出来

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(-10,10, 60)
def elu(x,a):
y=[]
for i in x:
if i>=0:
y.append(i)
else:
y.append(a*np.exp(i)-1)
return y

relu=np.maximum(x,[0]*60)
relu6=np.minimum(np.maximum(x,[0]*60),[6]*60)
softplus=np.log(np.exp(x)+1)
elu=elu(x,1)
softsign=x/(np.abs(x)+1)
sigmoid=1/(1+np.exp(-x))
tanh=np.tanh(x)
lrelu=np.maximum(0.1*x,x)
plt.figure()#matplotlib 的 figure 就是一个 单独的 figure 小窗口

plt.plot(x, relu6,label='relu6',linewidth=3.0)
plt.plot(x, relu,label='relu',color='black',linestyle='--',linewidth=2.0)
plt.plot(x, elu,label='elu',linewidth=2.0)
plt.plot(x, lrelu,label='lrelu',linewidth=1.0)

ax = plt.gca()
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data', 0))
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data', 0))
plt.legend(loc='best')
plt.figure()
plt.ylim((-1.2, 1.2))
plt.plot(x, softsign,label='softsign',linewidth=2.0)
plt.plot(x, sigmoid,label='sigmoid',linewidth=2.0)
plt.plot(x, tanh,label='tanh',linewidth=2.0)
plt.plot(x, softplus,label='softplus',linewidth=2.0)
# plt.plot(x, hyperbolic_tangent,label='hyperbolic_tangent',linewidth=2.0)
ax = plt.gca()
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data', 0))
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data', 0))
plt.legend(loc='best')
plt.show()