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标题: 【广州python】神经网络中的梯度消失 [打印本页]

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作者: 丁柳    时间: 2019-4-18 10:13
标题: 【广州python】神经网络中的梯度消失


什么是梯度消失？
神经元的权重w和偏置b是和激活函数的梯度成正比的，激活函数导数越大，则w，b调整越快，如果激活函数梯度很小，在反向传播时，多个小于0的导数相乘，随着神经网络层数的加深，梯度方向传播到浅层网络时，基本无法引起全职的波动，也就是没有将loss的信息传递到浅层网络，这样网络就无法训练学习了。这就是所谓的梯度消失。

以sigmoid激活函数为例：
sigmoid(x)=1/1+e^−x
该函数可以将实数压缩到开区间(0,1),其导数为：
σ′(x)=e^−x/(1+e^−x)^2=σ(x)/(1−σ(x))
函数图像如下:

数两侧十分平滑，两端无限接近0和1，只有中间一段导数较大。当x=0时，其导数取最大值0.25。选择sigmoid函数作为激活函数的优势：1)可以引入非线性；2)容易求导；3)可以将实数压缩至(0,1)

神经网络主要的训练方法是BP算法，BP算法的基础是导数的链式法则，也就是多个导数的乘积。而sigmoid的导数最大为0.25，且大部分数值都被推向两侧饱和区域，这就导致大部分数值经过sigmoid激活函数之后，其导数都非常小，多个小于等于0.25的数值相乘，其运算结果很小。

梯度消失的解决方式主要有：

1）其它激活函数

激活函数对神经网络有显著的影响，现行常见的激活函数有ReLU、Leaky ReLU。

• ReLU
  
  f(x)=max(0,x)f(x)=max(
  
  
  
  
  负数一侧永远为0，正数一侧导数永远为1。ReLU的优势在于：1)不饱和；2)计算效率高；3)收敛速度快。
• Leaky ReLU
  
  Leaky ReLU与ReLU十分类似，只不过在负数一侧并不完全抑制，而是给予一个小的导数。
  
  
  2）层归一化
  也即batch normalization。主要希望解决的所谓”内部协变量漂移“(internal covariate shift)问题。对于实例集合，
  Batch normalization的基本思想：深层神经网络在做非线性变换前的输入值在训练过程中，其分布逐渐发生偏移，之所以训练收敛慢，一般是整体分布逐渐往非线性激活函数的两端靠近，这导致了反向传播时浅层神经网络的梯度消失。而batch normalization就是通过一定的规范化手段，将每个隐层输入的分布强行拉回到均值为0方差为1的标准正态分布上去，这使得输入值落回到非线性激活函数”敏感“区域。这使得梯度变大，学习速度加快，大大提高收敛速度。
  以sigmoid激活函数为例，说明batch normalization的作用。下图为均值为0，方差为1的标准正态分布：
  
  这意味着，在1个标准差范围内，x有64%的概率落在[−1,1]范围内，x有95%的概率落在[−2,2]的范围内。
  
  上图为sigmoid函数的导数，在[−2,2]的范围内，sigmoid函数的导数很大，而在两端饱和区，导数接近0。这也就意味着，经过batch normalization规范化后，输入值x有较大概率获得大的导数值，远离导数饱和区，从而使得梯度变大，学习速度加快，避免了梯度消失。
  batch normalization的优势在于：1)大大提高训练速度，加快收敛过程；2)batch normalization是类似于dropout的正则化方法。
  
  

3)调整初始权重或者调整网络结构

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2019-4-18 10:20 上传

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