梯度消失和梯度爆炸——从本质上说残差、LSTM遗忘门（依赖cell state）解决思路都是一样的，甚至relu激活函数也是

在深度学习中，梯度消失和梯度爆炸是两个常见的问题。

梯度消失是指在进行反向传播时，梯度会随着层数的增加而指数级地减小，直到几乎消失，导致深层的神经网络参数无法有效更新。这主要是因为使用了像sigmoid和tanh这样的激活函数，它们在输入值较大或较小的情况下，梯度值接近于0。

 

 

 

 

梯度爆炸与梯度消失相反，是指梯度随着层数的增加而指数级地增大，导致网络参数更新过大，使得网络模型无法收敛。这通常在深度神经网络中更常见。

解决这两个问题的方法包括：

1. 改变激活函数：ReLU及其变种（如Leaky ReLU、Parametric ReLU）在输入值为正时，梯度为1，因此不会出现梯度消失的问题。

2. 权重初始化：使用He初始化或Xavier初始化等方法，可以在训练开始时设置合适的初始权重，减少梯度消失和爆炸的可能性。

3. 批量归一化（Batch Normalization）：这种方法可以在每一层都对输入进行归一化处理，使得值集中在0附近，减少梯度消失和爆炸的可能性。

4. 梯度裁剪（Gradient Clipping）：这是一种针对梯度爆炸的解决方案，当梯度的值超过某个阈值时，将其限制在该阈值内。

5. 残差连接（Residual Connection）：在深度神经网络中，通过引入跨层的直接连接，使得梯度可以直接反向传播到浅层，从而缓解梯度消失问题。

6. 使用LSTM或GRU等门控循环单元：在处理序列数据时，这些结构可以有效地缓解梯度消失问题，因为它们有专门的机制来控制信息的流动。

 

【我们看下几个激活函数】

双曲正弦函数和正弦函数是什么关系？有什么历史原因吗？

双曲正弦函数（hyperbolic sine，通常表示为sinh）和正弦函数（sine，通常表示为sin）是两种不同的数学函数，它们在形式上有一些相似性，但在数学性质和应用上有很大的不同。

双曲正弦函数的定义为：

sinh(x) = (e^x - e^-x) / 2

 

正弦函数的定义为：

sin(x) = y坐标值在单位圆上对应的角度x

双曲正弦函数和正弦函数的主要区别在于，双曲正弦函数是双曲线的一部分，而正弦函数则是圆的一部分。这就是为什么它们被称为"双曲"和"圆"的原因。
双曲函数（包括双曲正弦函数和双曲余弦函数等）在18世纪被引入到数学中，主要是为了解决某些微分方程的问题。双曲函数在许多科学和工程领域都有应用，包括物理、工程、信号处理等。
正弦函数则有更长的历史，它在古希腊时期就已经被研究，主要用于解决三角形的问题。正弦函数在许多科学和工程领域都有应用，包括物理、工程、计算机科学等。
总的来说，双曲正弦函数和正弦函数是两种不同的数学函数，它们在形式上有一些相似性，但在数学性质和应用上有很大的不同。

 

双曲正弦函数和正弦函数，为什么他们的名字相似呢？

双曲正弦函数（hyperbolic sine，通常表示为sinh）和正弦函数（sine，通常表示为sin）的名字之所以相似，主要是因为它们在数学形式上有一定的相似性。

双曲正弦函数的定义是 sinh(x) = (e^x - e^-x) / 2，双曲正弦函数（hyperbolic sine，通常表示为sinh）的泰勒级数展开是：

sinh(x) = x + x^3/3! + x^5/5! + x^7/7! + ...

而正弦函数的泰勒级数展开形式是 

sin(x) = x - x^3/3! + x^5/5! - x^7/7! + ...。你可以看到，我们可以得到一个与正弦函数泰勒级数展开形式非常相似的表达式。

此外，双曲正弦函数和正弦函数都具有周期性（虽然双曲正弦函数的周期是虚数），并且它们的图形在某种程度上也有一些相似性。

因此，尽管双曲正弦函数和正弦函数在数学性质和应用上有很大的不同，但由于它们在数学形式上的相似性，因此它们被赋予了相似的名字。

 

正切函数和双曲正切函数有什么关系？名字为什么相似呢？

正切函数（tangent，通常表示为tan）和双曲正切函数（hyperbolic tangent，通常表示为tanh）的名字之所以相似，是因为它们在数学形式上有一定的相似性。
正切函数的定义是 tan(x) = sin(x) / cos(x)，而双曲正切函数的定义是 tanh(x) = sinh(x) / cosh(x)，其中sinh(x)和cosh(x)分别是双曲正弦函数和双曲余弦函数。你可以看到，正切函数和双曲正切函数的定义在形式上是非常相似的。

为什么relu函数可以解决梯度消失？

ReLU（Rectified Linear Unit）函数是一种常用的激活函数，其数学表达式为 f(x) = max(0, x)。ReLU函数的主要特点是在输入大于0时，其梯度为1；在输入小于0时，其梯度为0。

ReLU函数能够缓解梯度消失问题，主要原因是：

1. 正区间梯度恒为1：当输入大于0时，ReLU函数的梯度恒为1，这意味着在反向传播过程中，梯度不会因为经过ReLU函数而变小。这与sigmoid函数和tanh函数不同，这两种函数的梯度在输入远离0时会接近0，导致梯度消失问题。

2. 引入非线性：尽管ReLU函数在正区间内是线性的，但是由于其在负区间的值为0，因此ReLU函数是非线性的。这使得神经网络可以拟合和学习非线性函数。

通俗来理解，ReLU函数就像一个开关，当输入大于0时，开关打开，信息可以无损地通过；当输入小于0时，开关关闭，信息被阻断。这种设计使得在反向传播过程中，正向传播的信息可以更好地保留下来，从而缓解了梯度消失问题。

 

为什么LSTM能解决梯度消失问题？

LSTM（长短期记忆网络）能够解决梯度消失问题，主要是因为其特殊的网络结构设计。

1. 门控机制：LSTM引入了输入门、遗忘门和输出门的概念，这些门控结构允许模型有选择性地记住或遗忘信息。特别是遗忘门，它可以让模型忘记无关的历史信息，从而减少了长期依赖的影响。

2. 细胞状态（Cell State）：LSTM中的细胞状态是一个“横跨”各个时间步的信息传递通道，它可以在很长的序列中传递信息。在反向传播过程中，细胞状态的梯度可以直接反向传播，避免了梯度消失的问题。

因此，通过这些设计，LSTM能够在处理长序列时，有效地缓解梯度消失的问题，从而能够捕捉到更长距离的依赖关系。

 

遗忘门是LSTM（长短期记忆）网络中的一个重要组成部分。它的主要作用是决定哪些信息应该从细胞状态中被遗忘或丢弃。

遗忘门的数学表达式通常为：

f_t = σ(W_f · h_(t-1), x_t] + b_f)

其中，σ表示sigmoid函数，W_f是遗忘门的权重矩阵，b_f是偏置项，h_(t-1)是上一时间步的隐藏状态，x_t是当前时间步的输入。sigmoid函数的输出在0到1之间，可以理解为遗忘的比例。

遗忘门的设计有助于解决梯度消失问题，主要原因是：

1. 直接的梯度路径：在反向传播过程中，遗忘门提供了一条直接的梯度路径，使得梯度可以直接反向传播，避免了在多层网络中梯度消失的问题。

2. 选择性遗忘：遗忘门可以选择性地遗忘细胞状态中的信息，这样可以减少不相关信息的干扰，使得网络更加关注于有用的信息，从而提高模型的性能。

因此，通过遗忘门的设计，LSTM能够在处理长序列时，有效地缓解梯度消失的问题。

 

更多细节见：https://www.cnblogs.com/bonelee/p/10475453.html  和 https://www.cnblogs.com/bonelee/p/7714843.html