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[人工智能]神经网络激活函数与求导

神经网络激活函数求导

1、Sigmoid 激活函数

σ ( x ) = 1 1 + e ? x \sigma(x) = \frac{1}{1 + e^{-x}} σ(x)=1+e?x1??
在这里插入图片描述

其导函数为:

σ ′ ( x ) = ? ? x 1 1 + e ? x = e ? x ( 1 + e ? x ) 2 = 1 ( 1 + e ? x ) 2 ? e ? x = 1 1 + e ? x ? ( 1 ? 1 1 + e ? x ) = σ ( x ) ? ( 1 ? σ ( x ) ) \begin{aligned} \sigma'(x) &= \frac{\partial}{\partial x}\frac{1}{1 + e^{-x}} \\\\&= \frac{e^{-x}}{(1 + e^{-x})^2}\\\\& = \frac{1}{(1 + e^{-x})^2}\cdot e^{-x}\\\\&=\frac{1}{1 + e^{-x}} \cdot (1 - \frac{1}{1 + e^{-x}})\\\\&=\sigma(x)\cdot (1 - \sigma(x))\end{aligned} σ(x)?=?x??1+e?x1?=(1+e?x)2e?x?=(1+e?x)21??e?x=1+e?x1??(1?1+e?x1?)=σ(x)?(1?σ(x))?????

2、Tanh 激活函数

Tanh 函数可以看作是放大并平移的 Sigmoid 函数,但因为是零中心化的 (zero-centered) ,通常收敛速度快于 Sigmoid 函数,下图是二者的对比:

在这里插入图片描述

其函数形式为:

t a n h ( x ) = e x ? e ? x e x + e ? x = 1 ? e ? 2 x 1 + e ? 2 x = 2 ? ( 1 + e ? 2 x ) 1 + e ? 2 x = 2 1 + e ? 2 x ? 1 = 2 σ ( 2 x ) ? 1 \begin{aligned}tanh(x) &= \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}} \\\\&= \frac{1 - e^{-2x}}{1 + e^{-2x}} \\\\&= \frac{2 - (1 + e^{-2x})}{1 + e^{-2x}} \\\\&= \frac{2}{1 + e^{-2x}} -1 \\\\&= 2\sigma(2x) - 1\end{aligned} tanh(x)?=ex+e?xex?e?x?=1+e?2x1?e?2x?=1+e?2x2?(1+e?2x)?=1+e?2x2??1=2σ(2x)?1???

其导函数为:

t a n h ′ ( x ) = ( e x + e ? x ) 2 ? ( e x ? e ? x ) 2 ( e x + e ? x ) 2 = 1 ? t a n h 2 ( x ) \begin{aligned}tanh'(x) &= \frac{(e^x + e^{-x})^2 -(e^x - e^{-x})^2}{(e^x + e^{-x})^2} \\\\&= 1-tanh^2(x)\end{aligned} tanh(x)?=(ex+e?x)2(ex+e?x)2?(ex?e?x)2?=1?tanh2(x)??

3、Softmax 激活函数

Softmax 函数将多个标量映射为一个概率分布,其形式为:

y i = s o f t m a x ( z i ) = e z i ∑ j = 1 C e z j y_i = softmax(z_i) = \frac{e^{z_i}}{\sum\limits_{j=1}^{C}e^{z_j}} yi?=softmax(zi?)=j=1C?ezj?ezi?????

y i y_i yi?? 表示第 i i i? 个输出值,即属于类别 i i i?? 的概率, ∑ i = 1 C y i = 1 \sum\limits_{i = 1}^Cy_i = 1 i=1C?yi?=1?

z = W T x z = W^Tx z=WTx ,表示线性方程,Softmax 函数用于多分类,会对应多个方程。

在这里插入图片描述

首先求标量形式的导数,即第 i i i? 个输出对于第 j j j? 个输入的偏导数:

? y i ? z j = ? e z i ∑ j = 1 C e z j ? z j \frac{\partial y_i}{\partial z_j} = \frac{\partial \frac{e^{z_i}}{\sum\limits_{j=1}^{C}e^{z_j}}}{\partial z_j} ?zj??yi??=?zj??j=1C?ezj?ezi?????

其中 e z i e^{z_i} ezi? z j z_j zj? 求导要分情况讨论:

? e z i ? z j = { e z i ?? , ?? i f ?? i = j 0 ?? , ?? i f ?? i =? j \frac{\partial e^{z_i}}{\partial z_j} = \left \{\begin{aligned} & e^{z_i}\ \ , \ \ & if \ \ i = j \\ &0\ \ ,\ \ &if \ \ i \not= j \end{aligned}\right. ?zj??ezi??={?ezi???,??0??,???if??i=jif??i?=j?????

那么当 i = j i = j i=j?? 时:

? y i ? z j = e z i ∑ j = 1 C e z j ? e z i e z j ( ∑ j = 1 C e z j ) 2 = e z i ∑ j = 1 C e z j ? e z i ∑ j = 1 C e z j e z j ∑ j = 1 C e z j = y i ? y i y j \begin{aligned}\frac{\partial y_i}{\partial z_j} &= \frac{e^{z_i}\sum\limits_{j=1}^Ce^{z_j} - e^{z_i}e^{z_j}}{(\sum\limits_{j=1}^Ce^{z_j})^2} \\\\&= \frac{e^{z_i}}{\sum\limits_{j=1}^Ce^{z_j}} - \frac{e^{z_i}}{\sum\limits_{j=1}^Ce^{z_j}}\frac{e^{z_j}}{\sum\limits_{j=1}^Ce^{z_j}} \\\\&= y_i - y_iy_j\end{aligned} ?zj??yi???=(j=1C?ezj?)2ezi?j=1C?ezj??ezi?ezj??=j=1C?ezj?ezi???j=1C?ezj?ezi??j=1C?ezj?ezj??=yi??yi?yj???

i =? j i \not= j i?=j? 时:

? y i ? z j = 0 ? e z i e z j ( ∑ j = 1 C e z j ) 2 = ? y i y j \frac{\partial y_i}{\partial z_j} = \frac{0 - e^{z_i}e^{z_j}}{(\sum\limits_{j=1}^Ce^{z_j})^2} = -y_iy_j ?zj??yi??=(j=1C?ezj?)20?ezi?ezj??=?yi?yj?

两者合并:

? y i ? z j = 1 { i = j } y i ? y i y j \frac{\partial y_i}{\partial z_j} = \pmb{1}\{i=j\}y_i - y_iy_j ?zj??yi??=111{i=j}yi??yi?yj?

其中 1 { i = j } = { 1 , i f ?? i = j 0 , i f ?? i =? j \pmb{1}\{i=j\} = \left\{\begin{aligned} & 1, \quad if \ \ i = j \\&0,\quad if \ \ i \not= j \end{aligned}\right. 111{i=j}={?1,if??i=j0,if??i?=j??

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