全新激活函数 | 详细解读：HP-x激活函数（附论文下载）（一）

1简介

本文提出了orthogonal-Padé激活函数，它是可以训练的激活函数，在标准深度学习数据集和模型中具有更快的学习能力，同时可以提高模型的准确率。根据实验，在六种orthogonal-Padé激活中找到了2种最佳的候选函数，作者称之为 safe Hermite-Pade(HP)激活函数，即HP-1和HP-2。

与ReLU相比,HP-1和HP-2帮助PreActResNet-34带来不同程度的提升(top-1精度提升分别为5.06%和4.63%),在CIFAR100数据集上MobileNet V2模型提升分别为3.02%和2.75%分别，在CIFAR10数据集上PreActResNet-34的top-1精度分别增加了2.02%和1.78%,LeNet的top-1精度分别提升为2.24%和2.06%,Efficientnet B0的top-1精度分别提升为2.15%和2.03%。

2前人工作简介

深度卷积神经网络由多个隐藏层和神经元构成。然后通过每个神经元的激活函数引入非线性。

ReLU由于其简单性，是深度学习中最受欢迎的激活函数。虽然ReLU有一个缺点叫做 dying ReLU，在这种情况下，多达50%的神经元可能会因为消失梯度问题，即有大量的神经元对网络性能没有影响。为了克服这一问题，后来又提出了Leaky Relu、Parametric Relu、ELU、Softplus，虽然找到最佳的激活函数仍是一个有待研究的问题，但这些方法都提高了网络的性能。最近，研究人员使用了自动搜索技术发现了Swish激活函数。与ReLU相比，Swish的精确度有了一些提高。GELU、Mish、TanhSoft、EIS是目前少数几个可以替代ReLU和Swish的候选激活函数。

近年来，人们对可训练激活函数的研究也越来越感兴趣。可训练激活函数具有可学习的超参数(s)，在训练过程中通过反向传播算法更新。本文提出了Orthogonal-Padé激活函数。Orthogonal-Padé函数可以近似大多数连续函数。

3Padé activation Unit (PAU) and Orthogonal-PAU

考虑实线的一个闭合间隔为[a,b]。设是中次数小于等于的所有多项式的空间。对于一个非负连续函数,在[a, b]上定义Pn(x)上的内积为:

有多项式是正交的，如果：

的一组基是由张成的n个多项式的集合。一组正交基也是一组正交集。

的标准基是。但是标准基与式1中定义的内积并不是正交的。

在许多应用中，使用正交基可以简化表达式并减少计算。多项式空间有几个众所周知的正交基。下表列出了其中一些多项式基。注意，它们有的由递归关系给出，有的由直接表达式给出。

表1 一些著名的正交多项式基

3.1 Padé activation Unit (PAU)

f(x)由有理函数F1(x)的Padé近似定义为：

其中P(x)和Q(x)分别是k次和l次的多项式，它们没有公因式。PAU是式(3)的可学习激活函数，其中多项式系数为可学习参数，在反向传播过程中进行更新。为了将F1(x)的极点从Q(x)的0中移除，有学者提出了safe PAU。safe PAU定义为：

在分母中引入绝对值可以确保分母不会消失。实际上，也可以取和的绝对值来定义：

在许多任务中，F3定义的激活函数比F2定义的safe PAU能够提供更好的结果。

3.2 Orthogonal-Padé activation Unit (OPAU)

g(x)由有理函数G(x)的orthogonal-Padé近似定义为：

其中属于正交多项式集合。与PAU一样，可学习激活函数OPAU由(6)定义，其中为可学习参数。参数的初始化是通过近似的形式的如ReLU, Leaky ReLU等。为了去掉G(x)的极点，提出如下的safe OPAU。

作者考虑了6种正交多项式基- Chebyshev(两种)，Hermite(两种)，Laguerre和Legendre多项式的基。关于这些多项式基的详细信息见表1。

3.3 通过反向传播学习激活参数

利用反向传播算法和梯度更新神经网络模型中的权值和偏差。这里也采用相同的方法更新激活函数的参数。作者已经在Pytorch和Tensorflow-Keras API实现了自动化更新参数。对输入x和参数、计算公式(6)的梯度如下: