同学你好！本文章于2021年末编写，获得广泛的好评！

故在2022年末对本系列进行填充与更新，欢迎大家订阅最新的专栏，获取基于Pytorch1.10版本的理论代码(2023版)实现，

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本专栏将通过系统的深度学习实例，从可解释性的角度对深度学习的原理进行讲解与分析，通过将深度学习知识与Pytorch的高效结合，帮助各位新入门的读者理解深度学习各个模板之间的关系，这些均是在Pytorch上实现的，可以有效的结合当前各位研究生的研究方向，设计人工智能的各个领域，是经过一年时间打磨的精品专栏！

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欢迎大家订阅(2023版)理论篇

以下为2021版原文~~~~

①激活函数：主要通过加入非线性因素，你不线性模型表达能力不足的缺陷，因为神经网络中的数学基础是处处可微分的函数，故要求激活函数也应该保证数据的输入与输出是可微分。

②激活函数可以分为饱和激活函数与不饱和激活函数，激活函数的右饱和指当x趋向于正无穷时，函数的导数趋近于0。同样的，当x趋向于负无穷时，函数的导数趋近于0，此时称为左饱和。当一个函数既满足右饱和，又满足左饱和，则称为饱和函数，否则称为非饱和函数。

1 Sigmoid函数

对于分类任务来说，如果仅仅给出分类的结果，在某些场景下，提供的信息可能并不充足，这就会带来一定的局限。因此，我们建立分类模型，不仅应该能够进行分类，同时，也应该能够提供样本属于该类别的概率。这在现实中是非常实用的。例如，某人患病的概率，明天下雨概率等。因此，我们需要将z的值转换为概率值，逻辑回归使用sigmoid函数来实现转换。

1.1 Sigmoid函数介绍

1.1.1 表达式

1.1.2 函数原型

1.1.3 图像

图像描述：在x趋近于正无穷与负无穷的情况下，函数值去想与1或者0，这种情况称为饱和。处于饱和状态的函数将意味着，x=10与x=1000在结果上无差别，使得在这个区间内的信息被丢弃。

1.1.4 LogSigmoid

函数表示为

图像表示为

LogSigmoid激活函数常常被用作与NULLoss损失函数一起使用，用作神经网络反向传播过程中的计算交叉熵的环节。

1.2 LogSigmoid（）与Sigmoid（）代码

import torch
from torch import nn
input = torch.autograd.Variable(torch.randn(2))
print(input) #输出 tensor([0.3439, 0.6682])
### 函数括号后还有一个括号，介绍第一个函数返回了一个函数
### 如果后面还有括号，介绍前面那个也返回了一个函数。以此类推。
print(nn.Sigmoid()(input)) # 输出 tensor([0.5851, 0.6611])
print(nn.LogSigmoid()(input)) # tensor([-0.5359, -0.4139])

2 tanh函数

2.1 函数介绍

tanh是Sigmoid值域的升级版，从0~1升为-1~1，但是不能完全代替，因为在需要输出结果始终大于0的情况下，还需要Sigmoid函数。

tanh函数依旧存在饱和问题，输入的绝对值不可过大，否则无法训练

2.1.1 函数图像

2.1.2 代码

torch.nn.tanh(input,out=None)

3 ReLU函数

3.1 函数介绍

3.1.1函数公式

3.1.2 函数图像

3.1.3 函数解释

当输入X大于0时，函数返回值为其本身。

当输入X小于0时，函数返回值为0

神经网络中使用ReLu函数可以取得很好的拟合效果，运算简单，效率高

3.2 ReLU的变种函数

3.2.1 ReLu6===》有效防止训练过程中的梯度爆炸现象

函数代码： relu6 = min(max(features, 0), 6)

特点：结果是把小于0的变成0，大于6的取6。

缺点：这个训练收敛比较快，但是收敛比较好后，目标检测网络回归框不太准。

import torch
import torchvision
import torch.nn as nn
# inplace为True，将会改变输入的数据 ，否则不会改变原输入，只会产生新的输出
x = torch.linspace(-5, 10, 20)
r6 = nn.ReLU6(inplace=True)
print(x)
y=r6(x)
print(y)
relu= nn.ReLU(inplace=True)
y=relu(x)
print(y)
y2= torch.clamp(x,0,6)
print(y2)

3.2.2 Leaky ReLU

Leaky ReLU函数的特点：

• Leaky ReLU函数通过把x xx的非常小的线性分量给予负输入0.01 x 0.01x0.01x来调整负值的零梯度问题。

• Leaky有助于扩大ReLU函数的范围，通常α \alphaα的值为0.01左右。

• Leaky ReLU的函数范围是负无穷到正无穷。

Leaky ReLU函数的图像：

3.2.3 PReLU

PReLU函数中，参数α \alphaα通常为0到1之间的数字，并且通常相对较小。

• 如果α i = 0 ，则PReLU(x)变为 ReLU。

• 如果α i > 0 ，则PReLU(x)变为Leaky ReLU。

• 如果α i是可学习的参数，则PReLU(x)为PReLU函数。

PReLU函数的特点：

• 在负值域，PReLU的斜率较小，这也可以避免Dead ReLU问题。

• 与ELU相比，PReLU 在负值域是线性运算。尽管斜率很小，但不会趋于0。

3.2.4 ELU

ELU有负值，这会使激活的平均值接近零。均值激活接近于零可以使学习更快，因为它们使梯度更接近自然梯度。

ELU函数的特点：

• 没有Dead ReLU问题，输出的平均值接近0，以0为中心。

• ELU 通过减少偏置偏移的影响，使正常梯度更接近于单位自然梯度，从而使均值向零加速学习。

• ELU函数在较小的输入下会饱和至负值，从而减少前向传播的变异和信息。

• ELU函数的计算强度更高。与Leaky ReLU类似，尽管理论上比ReLU要好，但目前在实践中没有充分的证据表明ELU总是比ReLU好。

ELU函数的图像：

3.3 ReLU对应的函数实现

• torch.nn.ReLU((input,inplace=False)是一般的ReLU函数，即max(input,,O)。如果参数inplace为Tue则会改变输入的数据，否则不会改变原输入，只会产生新的输出。

• torch.nn.ReLU6(input,,inplace:=False)是激活函数ReLU6的实现。如果参数inplace为True则将会改变输入的数据，否则不会改变原输入，只会产生新的输出。

• torch.nn.LeakyReLU(input,negative_slope=0.01,inplace=False)是激活函数LeakyReLU的实现。如果参数inplace为True则将会改变输入的数据，否则不会改变原输入，只会产生新的输出。

• torch.nn.PReLU(num_parameters-=1,init=0.25)是激活函数PReLU的实现。其中参数num_parameters代表可学习参数的个数，init代表可学习参数的初始值。

• torch.nn.ELU(alpha=1.0,inplace=False)是激活函数ELU的实现。

在使用ReLU搭建模型时，设置参数inplace为True还是False，只与内存的使用有关。

如果参数inplace为True,那么会减少内存的开销，但要注意的是，这时的输入值已经被改变了。

如果认为注意inplace增加了开发过程的复杂性，那么可以将ReLU的调用方式写成：

X=torch.nn.ReLU(X)

这种写法直接将函数torh.nn.ReLU()的返回值赋给一个新的x变量，而不再去关心原有输入X。即使torch.nn,ReLU()函数对输入的x做了修改，也不会影响程序的其他部分。

4 SoftPlus函数

4.1 函数介绍

4.1.1 函数公式

4.1.2 函数图像

4.1.3 函数解释

SoftPlus函数的曲线更平滑，计算量更大，对于小于0的值保留得更多

4.2 代码实现

torch.nn.Softplus(beta=1,threshold=20)

参数threshold为激活函数输出的最大阈

好的激活函数可以对特征数据的激活更加准确，使得提高模型的精度，其他结构不变的情况下，将激活函数变为Swish与Mish函数将使得模型的精度有所上升。

在大量实验结果表明，Mish>Swish

5 Swish（更好的激活函数）

5.1 Swish函数简介

5.1.1 Swish函数公式

PS：其中β为x的缩小参数，默认取1，但在使用批量归一算法的情况下，就需要对β进行调整。β可以手动调节，也可以由神经网络自动学习得到。

5.1.2 Swish函数图像

6 Mish（更好的激活函数）

6.1 Mish函数介绍

6.1.1 函数公式

Mish激活函数无边界(即正值可以达到任何高度)

6.1.2 函数图像

6.2 Swish与Mish函数的封装实现

import torch
import torch.nn.functional as F
import torch.nn as nn
def swish(x,beta=1): # Swish激活函数
    return x * torch.nn.Sigmoid()(x * beta)
def mish(x): # Mish激活函数
    return x * (torch.tanh(F.tanh(F.softplus(x))))
class Mish(nn.Module): #Mish激活函数的类方法实现
    def __init__(self):
        super(Mish, self).__init__()
    def forward(self):
        return x * (torch.tanh(F.softplus(x)))

7 GELU（NLP任务的激活函数）

7.1 函数介绍 [ 高斯误差线性单元]

GELU函数就是一个综合体，它实现了非线性加上泛化，特别占内存，计算量很大

这里Φ ( x ) 是正太分布的概率函数，可以简单采用正太分布N ( 0 , 1 ) , 当然可以使用参数化的正太分布N ( μ , σ ) , 然后通过训练得到μ , σ 。

对于假设为标准正太分布的GELU(x),，论文中提供了近似计算的数学公式，如下：

7.1.1 GELE激活函数将激活参数0或1的取值概率与神经网络的激活值结合，使得神经网络具有自我确定性决策，即神经网络的激活值越小，其所乘的激活参数为1的概率越小

7.1.2 Swish与GELU函数的关系

Swish激活函数属于GELU的一个特例，Mish函数也属于GELU的一个特例。

7.2 代码实现

def gelu(input_tensor):
  cdf = 0.5 * (1.0 + tf.erf(input_tensor / tf.sqrt(2.0)))
  return input_tesnsor * cdf

8 激活函数总结

在神经网络中，特征见的差距会随着循环计算的推进而不断地被放大，当输入数据较大时，使用tanh()较为合理，输入数据差距较小时，使用Sigmoid()函数较为合适。

GeLU()激活函数，主要能够生成稀疏性更好的特征数据，即将数据转化为只有最大数值，其他为0 的特征，可以更好的突出输入特征，用大多数元素为0的稀疏矩阵来实现。

Swish与Mish函数是在ReLu基础上进一步优化产生，Mish()>Swish()