[深度學習][Python]多層感知器（MLP）模型使用不同激活函數（ReLU 和 Sigmoid）的效果

本文將展示使用不同激活函數（ReLU 和 Sigmoid）的效果。

一個簡單的多層感知器（MLP）模型來對 Fashion-MNIST 資料集進行分類。

函數定義

Sigmoid 函數

Sigmoid 函數將輸入壓縮到 0到 1 之間：

特性：

• 輸出範圍是 (0,1)(0, 1)(0,1)。
• 當 xxx 趨向無窮大時，輸出趨向於 1；當 xxx 趨向負無窮大時，輸出趨向於 0。

ReLU 函數

ReLU 函數只保留正數，將負數輸出為 0：

特性：

• 輸出範圍是 [0,∞]。
• 將所有負輸入值壓縮為 0，正輸入值保持不變。

2. 梯度特性

Sigmoid 函數

• Sigmoid 函數的梯度在輸入值非常大或非常小時會趨近於 0，這會導致梯度消失問題（Gradient Vanishing Problem）。
• 當激活值接近 0 或 1 時，導數值變得非常小，從而導致梯度傳遞到前幾層時變得幾乎為零，訓練變得非常緩慢。

ReLU 函數

• ReLU 的梯度在正值範圍內為 1，在負值範圍內為 0。
• ReLU 避免了梯度消失問題，因為在正值範圍內梯度不會變小。
• 但是，ReLU 存在「神經元死亡」問題，即如果一個神經元的輸出總是負值，它的梯度將永遠是 0，該神經元將不再更新。

3. 計算效率

Sigmoid 函數

• 計算 Sigmoid 涉及到指數運算，這在計算上相對比較昂貴。

ReLU 函數

• ReLU 只需簡單的比較和取最大值運算，計算效率非常高。

4. 適用場景

Sigmoid 函數

• 常用於輸出層，特別是在二元分類問題中。

ReLU 函數

• 常用於隱藏層，在大多數現代神經網絡架構中是首選激活函數。

程式範例

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.datasets import fashion_mnist
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense, Flatten
import matplotlib.pyplot as plt

# 載入 Fashion-MNIST 資料集
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = fashion_mnist.load_data()

# 標準化影像數據到 [0, 1] 範圍
x_train = x_train / 255.0
x_test = x_test / 255.0

# 定義模型架構
def create_model(activation):
    model = Sequential([
        Flatten(input_shape=(28, 28)),
        Dense(128, activation=activation),
        Dense(10, activation='softmax')
    ])
    model.compile(optimizer='adam',
                  loss='sparse_categorical_crossentropy',
                  metrics=['accuracy'])
    return model

# 創建兩個模型，一個使用 ReLU，另一個使用 Sigmoid
model_relu = create_model('relu')
model_sigmoid = create_model('sigmoid')

# 訓練模型
history_relu = model_relu.fit(x_train, y_train, epochs=5, validation_data=(x_test, y_test), verbose=2)
history_sigmoid = model_sigmoid.fit(x_train, y_train, epochs=5, validation_data=(x_test, y_test), verbose=2)

# 評估模型
test_loss_relu, test_acc_relu = model_relu.evaluate(x_test, y_test, verbose=2)
test_loss_sigmoid, test_acc_sigmoid = model_sigmoid.evaluate(x_test, y_test, verbose=2)

print(f"ReLU Model Test Accuracy: {test_acc_relu}")
print(f"Sigmoid Model Test Accuracy: {test_acc_sigmoid}")

# 繪製訓練過程中的準確度和損失
plt.figure(figsize=(12, 5))

plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(history_relu.history['accuracy'], label='ReLU Train Accuracy')
plt.plot(history_relu.history['val_accuracy'], label='ReLU Val Accuracy')
plt.plot(history_sigmoid.history['accuracy'], label='Sigmoid Train Accuracy')
plt.plot(history_sigmoid.history['val_accuracy'], label='Sigmoid Val Accuracy')
plt.title('Model Accuracy')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.legend()

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(history_relu.history['loss'], label='ReLU Train Loss')
plt.plot(history_relu.history['val_loss'], label='ReLU Val Loss')
plt.plot(history_sigmoid.history['loss'], label='Sigmoid Train Loss')
plt.plot(history_sigmoid.history['val_loss'], label='Sigmoid Val Loss')
plt.title('Model Loss')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Loss')
plt.legend()

plt.tight_layout()
plt.show()

繪製訓練過程

準確率高

結果與比較

• ReLU（Rectified Linear Unit）：通常在深度學習中效果更好，因為它在正值範圍內有較好的梯度傳遞效果，能夠減少梯度消失問題。
• Sigmoid：在多層神經網絡中可能會遇到梯度消失問題，使得訓練變慢且難以收斂。

透過這個程式範例，你可以觀察到使用不同激活函數的模型在準確度ReLU 0.875 比Sigmoid 0.872好一點，由繪製訓練過程上來看ReLU收斂速度比Sigmoid來的快收斂。通常來說，ReLU 會比 Sigmoid 表現更好一點。