在訓練深度神經網路（包括遞迴神經網路 RNNs 和更深層的前饋神經網路）時，梯度消失是一個常見的問題。它指的是在反向傳播 (Backpropagation) 演算法中，當梯度從輸出層向輸入層傳播時，可能會變得越來越小，甚至趨近於零。
為什麼會發生梯度消失？
這主要是因為以下兩個原因：- 激活函數的導數： 許多常用的激活函數，例如 Sigmoid 和 Tanh，它們的導數值域在 (0, 1] 或 (-1, 1] 之間。在反向傳播過程中，每一層的梯度都需要乘以激活函數的導數。當網路層數很深時，許多小於 1 的數值連乘，結果會變得非常小，趨近於零。
- 網路的深度： 網路越深，梯度需要經過的層數就越多，每次乘以一個小於 1 的導數，都會進一步縮小梯度。
梯度消失會帶來什麼問題？
- 學習緩慢甚至停止： 當梯度變得非常小時，底層（靠近輸入層）的權重和偏差幾乎不會得到更新，導致這些層無法有效地學習到有用的特徵。
- 網路訓練停滯不前： 即使訓練持續進行，模型的性能也可能不再提升，因為梯度太小，無法引導模型向更好的方向優化。
- 難以訓練深層網路： 梯度消失是訓練非常深的網路的一個主要障礙。
在 RNN 中梯度消失的特別影響：
在 RNN 中，梯度消失的問題尤其會影響模型學習長期依賴關係的能力。當梯度在時間上反向傳播時，如果序列很長，早期的時間步的梯度就會變得非常小，導致模型難以學習到很久以前的輸入對當前輸出的影響。這限制了標準 RNN 在處理長文本、長語音等序列數據上的能力。
如何緩解梯度消失問題？
研究人員已經提出了許多方法來緩解梯度消失的問題，包括：
- 使用不同的激活函數： 例如 ReLU (Rectified Linear Unit) 及其變體 (Leaky ReLU, Parametric ReLU 等)。ReLU 在正區間的導數為 1，可以減少梯度消失的影響。
- 使用更複雜的網路結構： 例如長短期記憶網路 (LSTM) 和門控循環單元 (GRU)，它們引入了門機制來更好地控制信息的流動和梯度的傳播。
- 殘差連接 (Residual Connections): 在深層網路中加入跳躍連接，允許梯度直接跳過某些層，減少梯度消失的風險。這是訓練非常深的 CNN 的常用技巧。
- 梯度裁剪 (Gradient Clipping): 當梯度過大時，將其縮放到一個合理的範圍內，可以防止梯度爆炸，有時也有助於緩解梯度消失。
- 更好的權重初始化方法： 合理的權重初始化可以幫助梯度在網路中更好地傳播。
總之，梯度消失是訓練深度神經網路時需要注意的一個重要問題。理解其原因和影響，並採取相應的措施來緩解它，是成功訓練深層模型的關鍵。
