ฟังก์ชันการเปิดใช้งาน

ในเครือข่ายประสาทเทียมฟังก์ชันการกระตุ้นของโหนดคือฟังก์ชันที่คำนวณเอาต์พุตของโหนดโดยอิงจากอินพุตแต่ละรายการและน้ำหนักของโหนดนั้น ปัญหาที่ไม่ธรรมดาสามารถแก้ไขได้โดยใช้โหนดเพียงไม่กี่โหนดหากฟังก์ชันการกระตุ้นเป็นแบบ ไม่ เชิงเส้น[ 1 ]
ฟังก์ชันการเปิดใช้งานสมัยใหม่ ได้แก่ ฟังก์ชันโลจิสติก ( ซิกมอยด์ ) ที่ใช้ใน โมเดล การรู้จำเสียงพูด ปี 2012 ที่พัฒนาโดยHinton et al; [ 2 ]ฟังก์ชัน ReLUที่ใช้ในโมเดลการมองเห็นด้วยคอมพิวเตอร์AlexNet ปี 2012 [ 3 ] [ 4 ]และใน โมเดล ResNet ปี 2015 ; และเวอร์ชันเรียบของ ReLU คือGELUซึ่งใช้ในโมเดลBERT ปี 2018 [ 5 ]
การเปรียบเทียบฟังก์ชันการกระตุ้น
นอกเหนือจากประสิทธิภาพเชิงประจักษ์แล้ว ฟังก์ชันการกระตุ้นยังมีคุณสมบัติทางคณิตศาสตร์ที่แตกต่างกันอีกด้วย:
- ไม่เชิงเส้น
- เมื่อฟังก์ชันการกระตุ้นไม่เป็นเชิงเส้น เครือข่ายประสาทสองชั้นสามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นตัวประมาณฟังก์ชันสากล[ 6 ]ซึ่งเรียกว่าทฤษฎีบทการประมาณสากลฟังก์ชันการกระตุ้นเอกลักษณ์ไม่เป็นไปตามคุณสมบัตินี้ เมื่อหลายชั้นใช้ฟังก์ชันการกระตุ้นเอกลักษณ์ เครือข่ายทั้งหมดจะเทียบเท่ากับแบบจำลองชั้นเดียว
- พิสัย
- เมื่อช่วงของฟังก์ชันการกระตุ้นมีจำกัด วิธีการฝึกฝนแบบใช้เกรเดียนต์มักจะมีเสถียรภาพมากกว่า เนื่องจากรูปแบบการนำเสนอมีผลกระทบต่อค่าน้ำหนักเพียงบางส่วนเท่านั้น ในทางกลับกัน เมื่อช่วงเป็นอนันต์ การฝึกฝนโดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพมากกว่า เนื่องจากรูปแบบการนำเสนอมีผลกระทบต่อค่าน้ำหนักส่วนใหญ่ ในกรณีหลังนี้ โดยทั่วไปแล้วจำเป็นต้องใช้ค่าอัตราการเรียนรู้ ที่ต่ำกว่า
- สามารถหาอนุพันธ์ได้อย่างต่อเนื่อง
- คุณสมบัตินี้เป็นที่ต้องการสำหรับการเปิดใช้งานวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพตามการไล่ระดับ ( ReLUไม่สามารถหาอนุพันธ์ได้อย่างต่อเนื่องและมีปัญหาบางอย่างกับการเพิ่มประสิทธิภาพตามการไล่ระดับ แต่ก็ยังเป็นไปได้) ฟังก์ชันการเปิดใช้งานขั้นตอนไบนารีไม่สามารถหาอนุพันธ์ได้ที่ 0 และหาอนุพันธ์ได้เป็น 0 สำหรับค่าอื่นๆ ทั้งหมด ดังนั้นวิธีการตามการไล่ระดับจึงไม่สามารถดำเนินการต่อไปได้[ 7 ]
คุณสมบัติเหล่านี้ไม่ได้ส่งผลต่อประสิทธิภาพอย่างเด็ดขาด และไม่ใช่คุณสมบัติทางคณิตศาสตร์เพียงอย่างเดียวที่อาจมีประโยชน์ ตัวอย่างเช่น ช่วงค่าบวกอย่างเคร่งครัดของsoftplusทำให้เหมาะสำหรับการทำนายความแปรปรวนในvariational autoencoders
รายละเอียดทางคณิตศาสตร์
ฟังก์ชันการกระตุ้นที่พบได้บ่อยที่สุดสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภท ได้แก่ฟังก์ชันสัน (ridge functions) , ฟังก์ชันรัศมี (radial functions ) และฟังก์ชันพับ (fold functions )
ฟังก์ชันการกระตุ้นจะอิ่มตัวหากมันจะไม่ถึงจุดอิ่มตัวหากฟังก์ชันการกระตุ้นที่ไม่ทำให้เกิดการอิ่มตัว เช่นReLUอาจดีกว่าฟังก์ชันการกระตุ้นที่ทำให้เกิดการอิ่มตัว เนื่องจากมีโอกาสน้อยที่จะประสบปัญหาการลดลงของเกรเดียนต์[ 8 ]
ฟังก์ชันการกระตุ้นสัน
ฟังก์ชันริจ (Ridge functions) เป็นฟังก์ชันหลายตัวแปรที่กระทำกับผลรวมเชิงเส้นของตัวแปรป้อนเข้า ตัวอย่างที่ใช้บ่อย ได้แก่:
ในเครือข่ายประสาทที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีววิทยาฟังก์ชันการกระตุ้นมักจะเป็นนามธรรมที่แสดงถึงอัตรา การยิง ศักยภาพการกระทำในเซลล์[ 9 ]ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด ฟังก์ชันนี้เป็นแบบไบนารีนั่นคือ นิวรอนกำลังยิงหรือไม่ยิง[ 10 ]
นอกจากนี้ เซลล์ประสาทไม่สามารถส่งสัญญาณได้เร็วกว่าอัตราที่กำหนดไว้ ข้อจำกัดทางชีววิทยานี้เป็นแรงผลักดันให้มีการใช้ฟังก์ชันการกระตุ้นแบบซิกมอยด์ ซึ่งช่วงของสัญญาณส่งออกถูกจำกัดอยู่ในช่วงที่จำกัด
ฟังก์ชันมีลักษณะดังนี้, ที่ไหนคือฟังก์ชันขั้นบันไดของ Heaviside
ในทางกลับกัน หากเส้นกราฟมีค่าความ ชันเป็นบวก อาจสะท้อนถึงอัตราการยิงที่เพิ่มขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าขาเข้าเพิ่มขึ้น ฟังก์ชันดังกล่าวจะมีรูปแบบดังนี้.

ฟังก์ชันการกระตุ้นแบบรัศมี
ใน เครือข่าย RBFจะใช้ฟังก์ชันกระตุ้นชนิดพิเศษที่เรียกว่าฟังก์ชันฐานรัศมี (RBF) ฟังก์ชันกระตุ้นเหล่านี้มีได้หลายรูปแบบ แต่โดยทั่วไปมักพบในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งต่อไปนี้:
- เกาส์เซียน :
- มัลติควอดราติกส์:
- มัลติควาดราติกผกผัน:
- สปลายโพลีฮาร์มอนิก
ที่ไหนคือเวกเตอร์ที่แสดงถึงจุดศูนย์กลาง ของฟังก์ชัน และและเป็นพารามิเตอร์ที่มีผลต่อการกระจายของรัศมี
ตัวอย่างอื่นๆ
ฟังก์ชันคาบสามารถใช้เป็นฟังก์ชันกระตุ้นได้ โดยปกติ จะใช้ ไซนูซอยด์เนื่องจากฟังก์ชันคาบใดๆ ก็สามารถแยกออกเป็นไซนูซอยด์ได้โดยการแปลงฟูริเยร์[ 11 ]
ฟังก์ชันการเปิดใช้งานการพับ
ฟังก์ชันการกระตุ้นแบบพับ (Folding activation functions) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเลเยอร์พูลลิ่ง (pooling layers)ในโครงข่ายประสาทเทียมแบบคอนโวลูชัน (Convolutional neural networks ) และในเลเยอร์เอาต์พุตของ โครงข่าย จำแนกประเภทหลายคลาส (Multiclass classification networks) ฟังก์ชันการกระตุ้นเหล่านี้จะทำการรวมข้อมูลจากอินพุต เช่น การหาค่าเฉลี่ยค่าต่ำสุดหรือค่าสูงสุดในการจำแนกประเภทหลายคลาสมักใช้ฟังก์ชันการกระตุ้นแบบซอฟต์ แม็กซ์ (Softmax activation)
ตารางฟังก์ชันการกระตุ้น
ตารางต่อไปนี้เปรียบเทียบคุณสมบัติของฟังก์ชันการกระตุ้นหลายฟังก์ชัน ซึ่งเป็นฟังก์ชันของค่าx หนึ่งเท่า จากเลเยอร์ก่อนหน้าหรือหลายเลเยอร์:
| ชื่อ | พล็อต | การทำงาน, | อนุพันธ์ของ, | พิสัย | ลำดับความต่อเนื่อง |
|---|---|---|---|---|---|
| ตัวตน | |||||
| ขั้นตอนไบนารี | |||||
| โลจิสติก , ซิกมอยด์ หรือ ซอฟต์ สเต็ป | |||||
| แทนเจนต์ไฮเปอร์โบลิก ( tanh ) | |||||
| Soboleva ดัดแปลงไฮเปอร์โบลิกแทนเจนต์ (smht) | ![]() | ||||
| ซอฟต์ไซน์ | |||||
| หน่วยเชิงเส้นที่แก้ไขแล้ว (ReLU) [ 14 ] | |||||
| หน่วยเชิงเส้นข้อผิดพลาดเกาส์เซียน (GELU) [ 5 ] | ที่ไหนคือฟังก์ชันความคลาดเคลื่อนแบบเกาส์เซียน | ที่ไหนคือฟังก์ชันความหนาแน่นความน่าจะเป็นของการแจกแจงแบบเกาส์เซียนมาตรฐาน | |||
| ซอฟต์พลัส[ 15 ] | |||||
| หน่วยเชิงเส้นเลขชี้กำลัง (ELU) [ 16 ] |
| ||||
| หน่วยเชิงเส้นเลขชี้กำลังแบบปรับขนาด (SELU) [ 17 ] | ![]() |
| |||
| หน่วยเชิงเส้นแก้ไขที่รั่ว (Leaky ReLU) [ 18 ] | |||||
| หน่วยเชิงเส้นแบบปรับแก้พาราเมตริก (PReLU) [ 19 ] |
| ||||
| หน่วยซิกมอยด์พาราเมตริกแบบปรับแก้ (ยืดหยุ่นได้ 5 พารามิเตอร์) | ที่ไหน [ 20 ] | ||||
| หน่วยเชิงเส้นซิกมอยด์ (SiLU, [ 5 ]การหดตัวซิกมอยด์, [ 21 ] SiL, [ 22 ]หรือSwish - 1[ 23 ] ) | |||||
| Exponential Linear Sigmoid SquasHing (ELiSH) [ 24 ] | |||||
| เกาส์เซียน | |||||
| ไซนูซอยด์ |
ตารางต่อไปนี้แสดงรายการฟังก์ชันการกระตุ้นที่ไม่ใช่ฟังก์ชันของการพับ เพียงครั้งเดียว xจากเลเยอร์ก่อนหน้าหรือหลายเลเยอร์:
| ชื่อ | สมการ | อนุพันธ์ | พิสัย | ลำดับความต่อเนื่อง |
|---|---|---|---|---|
| ซอฟต์แม็กซ์ | สำหรับi = 1, ..., J | |||
| แม็กซ์เอาท์[ 25 ] |
- ^ตรงนี้คือเดลต้าโครเนกเกอร์
- ^ตัวอย่างเช่นอาจเป็นการวนซ้ำผ่านจำนวนเคอร์เนลของเลเยอร์โครงข่ายประสาทเทียมก่อนหน้าในขณะที่วนซ้ำไปตามจำนวนเคอร์เนลของเลเยอร์ปัจจุบัน
ฟังก์ชันการกระตุ้นควอนตัม
ในเครือข่ายประสาทควอนตัมที่ตั้งโปรแกรมบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม แบบเกตโมเดล โดยใช้เพอร์เซปตรอนควอนตัมแทนวงจรควอนตัมแบบแปรผัน ความไม่เชิงเส้นของฟังก์ชันการกระตุ้นสามารถนำไปใช้ได้โดยไม่จำเป็นต้องวัดเอาต์พุตของเพอร์เซปตรอน แต่ละตัว ในแต่ละชั้น คุณสมบัติควอนตัมที่โหลดภายในวงจร เช่นการซ้อนทับสามารถรักษาไว้ได้โดยการสร้างอนุกรมเทย์เลอร์ของอาร์กิวเมนต์ที่คำนวณโดยเพอร์เซปตรอนเอง โดยใช้วงจรควอนตัมที่เหมาะสมในการคำนวณกำลังจนถึงระดับการประมาณที่ต้องการ เนื่องจากความยืดหยุ่นของวงจรควอนตัมดังกล่าว จึงสามารถออกแบบวงจรเหล่านี้เพื่อประมาณฟังก์ชันการกระตุ้นแบบคลาสสิกใดๆ ก็ได้[ 26 ]
ดูเพิ่มเติม
อ่านเพิ่มเติม
- Kunc, Vladimír; Kléma, Jiří (14 กุมภาพันธ์ 2024), การกระตุ้นสามทศวรรษ: การสำรวจอย่างครอบคลุมของฟังก์ชันการกระตุ้น 400 ฟังก์ชันสำหรับเครือข่ายประสาทเทียม , arXiv : 2402.09092
- Nwankpa, Chigozie; Ijomah, Winifred; Gachagan, Anthony; Marshall, Stephen (8 พฤศจิกายน 2018). "ฟังก์ชันการกระตุ้น: การเปรียบเทียบแนวโน้มในการปฏิบัติและการวิจัยสำหรับการเรียนรู้เชิงลึก". arXiv : 1811.03378 [ cs.LG ].
- Dubey, Shiv Ram; Singh, Satish Kumar; Chaudhuri, Bidyut Baran (2022). "ฟังก์ชันการกระตุ้นในการเรียนรู้เชิงลึก: การสำรวจอย่างครอบคลุมและเกณฑ์มาตรฐาน" . Neurocomputing . 503 . Elsevier BV: 92– 108. arXiv : 2109.14545 . doi : 10.1016/j.neucom.2022.06.111 . ISSN 0925-2312 .

