Pytorch 自定义激活函数前向与反向传播 sigmoid

文章目录

- Sigmoid
- - 公式
  - 求导过程
  - 优点：
  - 缺点：
  - 自定义Sigmoid
  - 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

Sigmoid

公式

$sigmoid(x)=σ(x)=11+e−x\text{sigmoid}(x)= \sigma(x) = \frac{1}{1+e^{-x}}$

求导过程

$σ′(x)=[(1+e−x)−1]′=(−1)(1+e−x)−2(−1)e−x=(1+e−x)−2e−x=e−x(1+e−x)2=1+e−x−1(1+e−x)2=1+e−x(1+e−x)2−1(1+e−x)2=1(1+e−x)(1−1(1+e−x))=σ(x)(1−σ(x))\begin{aligned} \sigma'(x) =&[(1+e^{-x})^{-1}]' \\ =&(-1)(1+e^{-x})^{-2}(-1)e^{-x}\\ =&(1+e^{-x})^{-2}e^{-x}\\ =&\frac{e^{-x}}{(1+e^{-x})^2} \\ =&\frac{1+e^{-x}-1}{(1+e^{-x})^2} \\ =&\frac{1+e^{-x}}{(1+e^{-x})^2} - \frac{1}{(1+e^{-x})^2} \\ =&\frac{1}{(1+e^{-x})}(1-\frac{1}{(1+e^{-x})}) \\ =&\sigma(x)(1-{\sigma(x)}) \end{aligned}$

用于隐层神经元输出，取值范围为(0,1)，它可以将一个实数映射到(0,1)的区间，可以用来做二分类。在特征相差比较复杂或是相差不是特别大时效果比较好。Sigmoid作为激活函数有以下优缺点：

优点：

输出范围有限，数据在传递的过程中不容易发散。
输出范围为(0,1)，所以可以用作输出层，输出表示概率。
抑制两头，对中间细微变化敏感，对分类有利。
在特征相差比较复杂或是相差不是特别大时效果比较好。

缺点：

梯度消失（Gradient Vanishing）会导致backpropagate时，w的系数太小，w更新很慢。所以对初始化时要特别注意，避免过大的初始值使神经元进入饱和区。
输出不是zero-center 这会导致后层的神经元的输入是非0均值的信号，这会对梯度产生影响：假设后层神经元的输入都为正(e.g. x>0 elementwise in ),那么对w求局部梯度则都为正，这样在反向传播的过程中w要么都往正方向更新，要么都往负方向更新，导致有一种捆绑的效果，使得收敛缓慢。如果你是按batch去训练，那么每个batch可能得到不同的符号（正或负），那么相加一下这个问题还是可以缓解
指数运算耗时，计算效率低

自定义Sigmoid

class SelfDefinedSigmoid(torch.autograd.Function):@staticmethoddef forward(ctx, inp):result = torch.divide(torch.tensor(1), (1 + torch.exp(-inp)))ctx.save_for_backward(result)return result@staticmethoddef backward(ctx, grad_output):# ctx.saved_tensors is tuple (tensors, grad_fn)result, = ctx.saved_tensorsreturn grad_output * result * (1 - result)class Sigmoid(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()def forward(self, x):out = SelfDefinedSigmoid.apply(x)return out

与Torch定义的比较

# self defined
torch.manual_seed(0)sigmoid = Sigmoid()  # SelfDefinedSigmoid
inp = torch.randn(5, requires_grad=True)
out = sigmoid((inp + 1).pow(2))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([0.9984, 0.6223, 0.8005, 0.9213, 0.5018],grad_fn=<SelfDefinedSigmoidBackward>)First call
tensor([ 0.0080,  0.3322, -0.3765,  0.2275, -0.0423])Second call
tensor([ 0.0159,  0.6643, -0.7530,  0.4549, -0.0845])Call after zeroing gradients
tensor([ 0.0080,  0.3322, -0.3765,  0.2275, -0.0423])

# torch defined
torch.manual_seed(0)
inp = torch.randn(5, requires_grad=True)
out = torch.sigmoid((inp + 1).pow(2))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([0.9984, 0.6223, 0.8005, 0.9213, 0.5018], grad_fn=<SigmoidBackward>)First call
tensor([ 0.0080,  0.3322, -0.3765,  0.2275, -0.0423])Second call
tensor([ 0.0159,  0.6643, -0.7530,  0.4549, -0.0845])Call after zeroing gradients
tensor([ 0.0080,  0.3322, -0.3765,  0.2275, -0.0423])

从上面结果，可以看出与torch定义sigmoid得到是一样的结果

可视化

# visualization
inp = torch.arange(-8, 8, 0.1, requires_grad=True)
out = sigmoid(inp)
out.sum().backward()inp_grad = inp.gradplt.plot(inp.detach().numpy(),out.detach().numpy(),label=r"$\sigma(x)=\frac{1}{1+e^{-x}} $",alpha=0.7)
plt.plot(inp.detach().numpy(),inp_grad.numpy(),label=r"$\sigma'(x)$",alpha=0.5)
plt.grid()
plt.legend()
plt.show()