关于机器学习:小白学AI梯度消失爆炸及其解决方法

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文章来自【机器学习炼丹术】

梯度隐没问题和梯度爆炸问题，总的来说能够称为 梯度不稳固问题。

【要背住的常识】：用 ReLU 代替 Sigmoid，用 BN 层，用残差构造解决梯度隐没问题。梯度爆炸问题的话，能够用正则化来限度。sigmoid 的导数是【0，0.25】.

两者呈现起因都是因为 链式法则。当模型的层数过多的时候，计算梯度的时候就会呈现十分多的乘积项。用上面这个例子来了解：

这是每层只有 1 个神经元的例子，每个神经元的激活函数都是 sigmoid，而后咱们想要更新 b1 这个参数。
依照大家都公认的符号来示意：

$w_1*x_1 + b_1 = z_1$ 这就是 z 的含意；
$\sigma(z_1)=a_1$, 这是 a 的含意。

能够失去这个偏导数：
$\frac{\partial C}{\partial b_1} = \frac{\partial z_1}{\partial b_1}\frac{\partial a_1}{\partial z_1} \frac{\partial z_2}{\partial a_2}\frac{\partial a_2}{\partial z_2} \frac{\partial z_2}{\partial a_3}\frac{\partial a_3}{\partial z_3} \frac{\partial z_3}{\partial a_4}\frac{\partial a_4}{\partial z_4} \frac{\partial C}{\partial a_4}$

而后化简：
$\frac{\partial C}{\partial b_1}=\sigma'(z_1)w_2\sigma'(z_2)w_3\sigma'(z_3)w_4\sigma'(z_4)\frac{\partial C}{\partial a_4}$

关键在于这个 $\sigma'(z_1)$，sigmoid 函数的导数，是在 0~0.25 这个区间的，这意味着，当网络层数越深，那么对于后面几层的梯度，就会十分的小。下图是 sigmoid 函数的导数的函数图：

因而常常会有这样的景象：

图中，别离示意 4 层隐含层的梯度变动幅度。能够看到，最浅的那个隐含层，梯度更新的速度，是十分小的。【图中纵轴是指数变动的】。

那么梯度爆炸也很好了解，就是 $w_j\sigma'(z_j)>1$，这样就爆炸了。
【留神：如果激活函数是 sigmoid，那么其导数最大也就 0.25，而 $w_j$ 个别不会大于 4 的，所以 sigmoid 函数而言，个别都是梯度隐没问题】

【总结】：

梯度隐没和梯度爆炸是指后面几层的梯度，因为链式法则一直乘小于（大于）1 的数，导致梯度十分小（大）的景象；
sigmoid 导数最大 0.25，个别都是梯度隐没问题。

最常见的计划就是更改激活函数，当初神经网络中，除了最初二分类问题的最初一层会用 sigmoid 之外，每一层的激活函数个别都是用 ReLU。

【ReLU】：如果激活函数的导数是 1，那么就没有梯度爆炸问题了。

【益处】：能够发现，relu 函数的导数在负数局部，是等于 1 的，因而就能够防止梯度隐没的问题。
【不好】：然而正数局部的导数等于 0，这样意味着，只有在链式法则中某一个 $z_j$ 小于 0，那么这个神经元的梯度就是 0，不会更新。

【leakyReLU】：在 ReLU 的正数局部，减少了肯定的斜率：

解决了 ReLU 中会有死神经元的问题。

【elu】: 跟 LeakyReLU 一样是为了解决死神经元问题，然而减少的斜率不是固定的：

然而相比 leakrelu，计算量更大。

这个是十分给力的胜利，在图像处理中必用的层了。BN 层提出来的实质就是为了 解决反向流传中的梯度问题。

在神经网络中，有这样的一个问题：Internal Covariate Shift。
假如第一层的输出数据通过第一层的解决之后，失去第二层的输出数据。这时候，第二层的输出数据绝对第一层的数据分布，就会产生扭转，所以这一个 batch，第二层的参数更新是为了拟合第二层的输出数据的那个散布。然而到了下一个 batch，因为第一层的参数也扭转了，所以第二层的输出数据的散布相比上一个 batch，又不太一样了。而后第二层的参数更新方向也会产生扭转。层数越多，这样的问题就越显著。

然而为了保障每一层的散布不变的话，那么如果把每一层输入的数据都归一化 0 均值，1 方差不就好了？然而这样就会齐全学习不到输出数据的特色了。不论什么数据都是遵从规范正太散布，想想也会感觉有点奇怪。所以 BN 就是减少了两个自适应参数，能够通过训练学习的那种参数。这样吧每一层的数据都归一化到 $\beta$ 均值，$\gamma$ 标准差的正态分布上。

【将输出散布变成正态分布，是一种去除数据相对差别，扩充绝对差别的一种行为，所以 BN 层用在分类上成果的好的。对于 Image-to-Image 这种工作，数据的相对差别也是十分重要的，所以 BN 层可能起不到相应的成果。】

残差构造，简略的了解，就是让深层网络通过走捷径，让网络不那么深层。这样梯度隐没的问题就缓解了。

之前提到的梯度爆炸问题，个别都是因为 $w_j$ 过大造成的，那么用 L2 正则化就能够解决问题。

正文完