Pytorch 自定义激活函数前向与反向传播 ReLu系列含优点与缺点

文章目录

- ReLu
- - 公式
  - 求导过程
  - 优点：
  - 缺点：
  - 自定义ReLu
  - 与Torch定义的比较
  - 可视化
- Leaky ReLu PReLu
- - 公式
  - 求导过程
  - 优点：
  - 缺点：
  - 自定义LeakyReLu
  - 与Torch定义的比较
  - 可视化
  - 自定义PReLu
- ELU
- - 公式
  - 求导过程
  - 优点
  - 缺点
  - 自定义LeakyReLu
  - 与Torch定义的比较
  - 可视化

import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F%matplotlib inlineplt.rcParams['figure.figsize'] = (7, 3.5)
plt.rcParams['figure.dpi'] = 150
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  #解决坐标轴负数的铅显示问题

ReLu

线性整流函数 (rectified linear unit)

公式

$relu=max⁡(0,x)={x,x>00,x≤0\text{relu} = \max(0, x) = \begin{cases} x, &x>0 \\ 0, &x\leq 0 \end{cases}$

求导过程

$f (x) 是连续的$

$f′(x)=lim⁡h→0f(0)=f(0+h)−f(0)h=max⁡(0,h)−0hf'(x)=\lim_{h\to 0}f(0) = \frac{f(0 + h)-f(0)}{h}=\frac{\max(0, h) - 0}{h}$
$lim⁡h→0−=0h=0\lim_{h\to0^-}=\frac{0}{h} = 0$
$lim⁡h→0+=hh=1\lim_{h\to0^+}=\frac{h}{h} = 1$
所以 $f^{'} (0)$ 处不可导

所以 $\begin{cases} 1, & x > 0 \\ 0, & x < 0 \end{cases}$

优点：

ReLU激活函数是一个简单的计算，如果输入大于0，直接返回作为输入提供的值；如果输入是0或更小，返回值0。

相较于sigmoid函数以及Tanh函数来看，在输入为正时，Relu函数不存在饱和问题，即解决了gradient vanishing问题，使得深层网络可训练
Relu输出会使一部分神经元为0值，在带来网络稀疏性的同时，也减少了参数之间的关联性，一定程度上缓解了过拟合的问题
计算速度非常快
收敛速度远快于sigmoid以及Tanh函数

缺点：

输出不是zero-centered
存在Dead Relu Problem，即某些神经元可能永远不会被激活，进而导致相应参数一直得不到更新，产生该问题主要原因包括参数初始化问题以及学习率设置过大问题
ReLU不会对数据做幅度压缩，所以数据的幅度会随着模型层数的增加不断扩张，当输入为正值，导数为1，在“链式反应”中，不会出现梯度消失，但梯度下降的强度则完全取决于权值的乘积，如此可能会导致梯度爆炸问题

自定义ReLu

class SelfDefinedRelu(torch.autograd.Function):@staticmethoddef forward(ctx, inp):ctx.save_for_backward(inp)return torch.where(inp < 0., torch.zeros_like(inp), inp)@staticmethoddef backward(ctx, grad_output):inp, = ctx.saved_tensorsreturn grad_output * torch.where(inp < 0., torch.zeros_like(inp),torch.ones_like(inp))class Relu(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()def forward(self, x):out = SelfDefinedRelu.apply(x)return out

与Torch定义的比较

# self defined
torch.manual_seed(0)relu = Relu()  # SelfDefinedRelu
inp = torch.randn(5, requires_grad=True)
out = relu((inp).pow(3))print(f'Out is\n{out}')out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nFirst call\n{inp.grad}")out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nSecond call\n{inp.grad}")inp.grad.zero_()
out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nCall after zeroing gradients\n{inp.grad}")

Out is
tensor([3.6594, 0.0000, 0.0000, 0.1837, 0.0000],grad_fn=<SelfDefinedReluBackward>)First call
tensor([7.1240, 0.0000, 0.0000, 0.9693, 0.0000])Second call
tensor([14.2480,  0.0000,  0.0000,  1.9387,  0.0000])Call after zeroing gradients
tensor([7.1240, 0.0000, 0.0000, 0.9693, 0.0000])

# torch defined
torch.manual_seed(0)
inp = torch.randn(5, requires_grad=True)
out = torch.relu((inp).pow(3))print(f'Out is\n{out}')out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nFirst call\n{inp.grad}")out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nSecond call\n{inp.grad}")inp.grad.zero_()
out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nCall after zeroing gradients\n{inp.grad}")

Out is
tensor([3.6594, 0.0000, 0.0000, 0.1837, 0.0000], grad_fn=<ReluBackward0>)First call
tensor([7.1240, 0.0000, 0.0000, 0.9693, 0.0000])Second call
tensor([14.2480,  0.0000,  0.0000,  1.9387,  0.0000])Call after zeroing gradients
tensor([7.1240, 0.0000, 0.0000, 0.9693, 0.0000])

可视化

# visualization
inp = torch.arange(-8, 8, 0.05, requires_grad=True)
out = relu(inp)
out.sum().backward()inp_grad = inp.gradplt.plot(inp.detach().numpy(),out.detach().numpy(),label=r"$relu(x)$",alpha=0.7)
plt.plot(inp.detach().numpy(),inp_grad.numpy(),label=r"$relu'(x)$",alpha=0.5)
plt.scatter(0, 0, color='None', marker='o', edgecolors='r', s=50)
plt.grid()
plt.legend()
plt.show()

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Leaky ReLu PReLu

公式

$leaky_relu=max⁡(αx,x)={x,x≥0α,x<0,α∈[0,+∞)\text{leaky\_relu} = \max(\alpha x, x) = \begin{cases} x, & x \ge 0 \\ \alpha, & x < 0 \end{cases} \quad, \alpha \in [0, + \infty)$

$whileα=0,leaky_relu=relu\text{while} \quad \alpha = 0, \text{leaky\_relu} = \text{relu}$

求导过程

所以 $\begin{cases} 1, & x \ge 0 \\ \alpha, & x < 0 \end{cases}$

优点：

避免梯度消失的问题
计算简单
针对Relu函数中存在的Dead Relu Problem，Leaky Relu函数在输入为负值时，给予输入值一个很小的斜率，在解决了负输入情况下的0梯度问题的基础上，也很好的缓解了Dead Relu问题

缺点：

输出不是zero-centered
ReLU不会对数据做幅度压缩，所以数据的幅度会随着模型层数的增加不断扩张
理论上来说，该函数具有比Relu函数更好的效果，但是大量的实践证明，其效果不稳定，故实际中该函数的应用并不多。
由于在不同区间应用的不同的函数所带来的不一致结果，将导致无法为正负输入值提供一致的关系预测。

超参数 $α\alpha$ 的取值也已经被很多实验研究过，有一种取值方法是对 $α\alpha$ 随机取值， $α\alpha$ 的分布满足均值为0，标准差为1的正态分布，该方法叫做随机LeakyReLU(Randomized LeakyReLU)。原论文指出随机LeakyReLU相比LeakyReLU能得更好的结果，且给出了参数 $α\alpha$ 的经验值1/5.5(好于0.01)。至于为什么随机LeakyReLU能取得更好的结果，解释之一就是随机LeakyReLU小于0部分的随机梯度，为优化方法引入了随机性，这些随机噪声可以帮助参数取值跳出局部最优和鞍点，这部分内容可能需要一整篇文章来阐述。正是由于 $α\alpha$ 的取值至关重要，人们不满足与随机取样 $α\alpha$ ，有论文将 $α\alpha$ 作为了需要学习的参数，该激活函数为 PReLU(Parametrized ReLU)

自定义LeakyReLu

class SelfDefinedLeakyRelu(torch.autograd.Function):@staticmethoddef forward(ctx, inp, alpha):ctx.constant = alphactx.save_for_backward(inp)return torch.where(inp < 0., alpha * inp, inp)@staticmethoddef backward(ctx, grad_output):inp, = ctx.saved_tensorsones_like_inp = torch.ones_like(inp)return torch.where(inp < 0., ones_like_inp * ctx.constant,ones_like_inp), Noneclass LeakyRelu(nn.Module):def __init__(self, alpha=1):super().__init__()self.alpha = alphadef forward(self, x):out = SelfDefinedLeakyRelu.apply(x, self.alpha)return out

与Torch定义的比较

# self defined
torch.manual_seed(0)alpha = 0.1  # greater so could have bettrer visualization
leaky_relu = LeakyRelu(alpha=alpha)  # SelfDefinedLeakyRelu
inp = torch.randn(5, requires_grad=True)
out = leaky_relu((inp).pow(3))print(f'Out is\n{out}')out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nFirst call\n{inp.grad}")out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nSecond call\n{inp.grad}")inp.grad.zero_()
out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nCall after zeroing gradients\n{inp.grad}")

Out is
tensor([ 3.6594e+00, -2.5264e-03, -1.0343e+00,  1.8367e-01, -1.2756e-01],grad_fn=<SelfDefinedLeakyReluBackward>)First call
tensor([7.1240, 0.0258, 1.4241, 0.9693, 0.3529])Second call
tensor([14.2480,  0.0517,  2.8483,  1.9387,  0.7057])Call after zeroing gradients
tensor([7.1240, 0.0258, 1.4241, 0.9693, 0.3529])

# torch defined
torch.manual_seed(0)
inp = torch.randn(5, requires_grad=True)
out = F.leaky_relu((inp).pow(3), negative_slope=alpha)print(f'Out is\n{out}')out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nFirst call\n{inp.grad}")out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nSecond call\n{inp.grad}")inp.grad.zero_()
out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nCall after zeroing gradients\n{inp.grad}")

Out is
tensor([ 3.6594e+00, -2.5264e-03, -1.0343e+00,  1.8367e-01, -1.2756e-01],grad_fn=<LeakyReluBackward0>)First call
tensor([7.1240, 0.0258, 1.4241, 0.9693, 0.3529])Second call
tensor([14.2480,  0.0517,  2.8483,  1.9387,  0.7057])Call after zeroing gradients
tensor([7.1240, 0.0258, 1.4241, 0.9693, 0.3529])

可视化

# visualization
inp = torch.arange(-8, 8, 0.05, requires_grad=True)
out = leaky_relu(inp)
out.sum().backward()inp_grad = inp.gradplt.plot(inp.detach().numpy(),out.detach().numpy(),label=r"$leakyrelu(x)$",alpha=0.7)
plt.plot(inp.detach().numpy(),inp_grad.numpy(),label=r"$leakyrelu'(x)$",alpha=0.5)
plt.scatter(0, 0, color='None', marker='o', edgecolors='r', s=50)
plt.grid()
plt.legend()
plt.show()

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自定义PReLu

class SelfDefinedPRelu(torch.autograd.Function):@staticmethoddef forward(ctx, inp, alpha):ctx.constant = alphactx.save_for_backward(inp)return torch.where(inp < 0., alpha * inp, inp)@staticmethoddef backward(ctx, grad_output):inp, = ctx.saved_tensorsones_like_inp = torch.ones_like(inp)return torch.where(inp < 0., ones_like_inp * ctx.constant,ones_like_inp), Noneclass PRelu(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.alpha = torch.randn(1, dtype=torch.float32, requires_grad=True)def forward(self, x):out = SelfDefinedLeakyRelu.apply(x, self.alpha)return out

ELU

指数线性单元 (Exponential Linear Unit)

公式

$elu(x)={x,x≥0α(ex−1),x<0\text{elu}(x) = \begin{cases} x, & x \ge 0 \\ \alpha(e^x - 1), & x < 0 \end{cases}$

求导过程

$f′(x)=lim⁡h→0f(0)=f(0+h)−f(0)hf'(x)=\lim_{h\to 0}f(0) = \frac{f(0+h)-f(0)}{h}$
$lim⁡h→0−=α(eh−1)−0h=0\lim_{h\to0^-}=\frac{\alpha (e^h - 1) - 0}{h} = 0$
$lim⁡h→0+=hh=1\lim_{h\to0^+}=\frac{h}{h} = 1$
所以 $f^{'} (0)$ 处不可导
所以 $\begin{cases} 1, & x \ge 0 \\ \alpha e^x, & x < 0 \end{cases}$

理想的激活函数应满足两个条件：

输出的分布是零均值的，可以加快训练速度。
激活函数是单侧饱和的，可以更好的收敛。

LeakyReLU和PReLU满足第1个条件，不满足第2个条件；而ReLU满足第2个条件，不满足第1个条件。两个条件都满足的激活函数为ELU(Exponential Linear Unit)。ELU虽然也不是零均值的，但在以0为中心一个较小的范围内，均值是趋向于0，当然也与 $α\alpha$ 的取值也是相关的。

优点

ELU具有Relu的大多数优点，不存在Dead Relu问题，输出的均值也接近为0值；
该函数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0加速学习；
该函数在负数域存在饱和区域，从而对噪声具有一定的鲁棒性；

缺点

计算强度较高，含有幂运算；
在实践中同样没有较Relu更突出的效果，故应用不多；

自定义LeakyReLu

class SelfDefinedElu(torch.autograd.Function):@staticmethoddef forward(ctx, inp, alpha):ctx.constant = alpha * inp.exp()ctx.save_for_backward(inp)return torch.where(inp < 0., ctx.constant - alpha, inp)@staticmethoddef backward(ctx, grad_output):inp, = ctx.saved_tensorsones_like_inp = torch.ones_like(inp)return torch.where(inp < 0., ones_like_inp * ctx.constant,ones_like_inp), Noneclass Elu(nn.Module):def __init__(self, alpha=1):super().__init__()self.alpha = alphadef forward(self, x):out = SelfDefinedElu.apply(x, self.alpha)return out

与Torch定义的比较

# self defined
torch.manual_seed(0)alpha = 0.5  # greater so could have bettrer visualization
elu = Elu(alpha=alpha)  # SelfDefinedLeakyRelu
inp = torch.randn(5, requires_grad=True)
out = elu((inp + 1).pow(3))print(f'Out is\n{out}')out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nFirst call\n{inp.grad}")out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nSecond call\n{inp.grad}")inp.grad.zero_()
out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nCall after zeroing gradients\n{inp.grad}")

Out is
tensor([ 1.6406e+01,  3.5275e-01, -4.0281e-01,  3.8583e+00, -3.0184e-04],grad_fn=<SelfDefinedEluBackward>)First call
tensor([1.9370e+01, 1.4977e+00, 4.0513e-01, 7.3799e+00, 1.0710e-02])Second call
tensor([3.8740e+01, 2.9955e+00, 8.1027e-01, 1.4760e+01, 2.1419e-02])Call after zeroing gradients
tensor([1.9370e+01, 1.4977e+00, 4.0513e-01, 7.3799e+00, 1.0710e-02])

# torch defined
torch.manual_seed(0)
inp = torch.randn(5, requires_grad=True)
out = F.elu((inp + 1).pow(3), alpha=alpha)print(f'Out is\n{out}')out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nFirst call\n{inp.grad}")out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nSecond call\n{inp.grad}")inp.grad.zero_()
out.backward(torch.ones_like(inp), retain_graph=True)
print(f"\nCall after zeroing gradients\n{inp.grad}")

Out is
tensor([ 1.6406e+01,  3.5275e-01, -4.0281e-01,  3.8583e+00, -3.0184e-04],grad_fn=<EluBackward>)First call
tensor([1.9370e+01, 1.4977e+00, 4.0513e-01, 7.3799e+00, 1.0710e-02])Second call
tensor([3.8740e+01, 2.9955e+00, 8.1027e-01, 1.4760e+01, 2.1419e-02])Call after zeroing gradients
tensor([1.9370e+01, 1.4977e+00, 4.0513e-01, 7.3799e+00, 1.0710e-02])

可视化

inp = torch.arange(-1, 1, 0.05, requires_grad=True)
out = F.elu(inp, alpha=1.2)
# out = F.relu(inp)
out.mean(), out.std()

(tensor(0.0074, grad_fn=<MeanBackward0>),tensor(0.5384, grad_fn=<StdBackward0>))

inp = torch.arange(-1, 1, 0.05, requires_grad=True)
# out = F.elu(inp, alpha=1)
out = F.relu(inp)
out.mean(), out.std()

(tensor(0.2375, grad_fn=<MeanBackward0>),tensor(0.3170, grad_fn=<StdBackward0>))

# visualization
inp = torch.arange(-8, 8, 0.05, requires_grad=True)
out = elu(inp)
out.sum().backward()inp_grad = inp.gradplt.plot(inp.detach().numpy(),out.detach().numpy(),label=r"$elu(x)$",alpha=0.7)
plt.plot(inp.detach().numpy(),inp_grad.numpy(),label=r"$elu'(x)$",alpha=0.5)
plt.scatter(0, 0, color='None', marker='o', edgecolors='r', s=50)
plt.grid()
plt.legend()
plt.show()