ReLU 激活函数中神经元死亡问题

最近在看 MobileNetV3 的结构特征，又碰到了新的激活函数，查看了其与 ReLU 的联系，联想到之前看到过的 ReLU 的问题，写了这篇文章

ReLU 激活函数可以算作是深度学习领域的 GOAT 了，虽然现在出现了很多变种和发展，但是综合使用范围和效果，其当之无愧。ReLU 之所以能获得广泛认可和应用，离不开自身的特性（图我就不画了）。

1. 单侧抑制。当输入小于 0 时，神经元处于抑制状态，也就是输出为 0。
2. 宽阔的激活边界。当输入大于 0 时，神经元全部出于激活状态，激活值取值边界无穷大，无饱和区。

1.  Sigmoid 存在梯度小时问题，就是因为当出于饱和区时，导数趋近于 0，更新缓慢，拖累收敛。
1.  另一方面，Sigmoid 这类激活函数的导数绝对值小于 1，链式法则的情况下在连乘的时候很容易迅速变小为接近于 0，也是导致梯度消失的原因。

1. 稀疏性。相比于 Sigmoid 之类的激活函数，稀疏性是 ReLU 的优势。Sigmoid 把抑制区设置为一个极小值，但是不为 0，因此要参与运算，而 ReLU 的抑制区的结果直接为 0，不参与后续计算，简单粗暴的造成网络稀疏性，而且计算十分简单。

1.  稀疏性和单侧抑制有很多生物神经学上的解释，对于大多数深度学习从业者而言，其计算简单和对网络稀疏性（防止过拟合）的优点才是真正关注的。

ReLU 凭借上述优点获得了无数青睐，但是也不能忽视其存在的不足，甚至一些不足就是由于其自身特性带来的。比如最常见的 ReLU Dying 问题。

ReLU Dying 问题是指当出现异常输入时，在反向传播中会产生大的梯度，这种大的梯度会导致神经元死亡和梯度消失。等等，ReLU 不就是为了解决梯度消失的问题吗？我们提取这里的关键词，异常输入，大梯度，神经元死亡，一一解释。

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上图是一个典型的神经元。

现在假设，这个神经元已经经过若干次迭代，其参数 $\mathbf{w}$ 和 $b$ 已经迭代得趋于稳定。现在，神经元接收到了一个异常输入 $\mathbf{x}$。比方说，它的某一维特征 $x_i$ 与对应的权重 $w_i$ 的乘积 $w_i x_i$ 非常大。一般来说，这意味着 $x_i$ 的绝对值非常大。于是，ReLU 的输入就会很大，对应 ReLU 的输出 $y$ 也就会很大。好了，假设这个 ReLU 神经元期望的输出（ground truth）是 $\hat{y}$，这个时候损失就会很大——损失一般是 $|y - \hat{y}|$ 的增函数，记为 $f(|y - \hat{y}|)$。

于是，在反向传播过程中，传递到 ReLU 的输入时的梯度就是 $g=f(|y - \hat{y}|)$。考虑对于偏置 $b$ 有更新：

$$b = b - \alpha \cdot g$$

其中，$\alpha$ 是学习率。

考虑到大梯度 $g$是一个很大的正数，于是$ b$ 可能被更新为一个很小的负数。此后，对于常规输入来说，ReLU 的输入大概率是个负数。这也就是说，ReLU 大概率是关闭的。这时，梯度无法经 ReLU 反向传播至 ReLU 的输入函数。也就是说，这个神经元的参数再也不会更新了。这就是所谓的神经元死亡。

如此看来，尽管 ReLU 解决了因激活函数导数的绝对值小于 1，在反向传播连乘的过程中迅速变小消失至 0 的问题，但由于它在输入为负的区段导数恒为零，而使得它对异常值特别敏感。这种异常值可能会使 ReLU 永久关闭，而杀死神经元。

由此可见，神经网络中的梯度消失问题是个多元化的问题，不仅仅局限于由于激活函数导数连乘导致的梯度消失。

话说回来，很多激活函数比如 LeakyReLU 把小于 0 的输入的输出不设为 0，从而缓解这个问题，其实现在这个问题已经被 BN 解决了。回到上述我们分析的原因，导致 ReLU Dying 的前提是异常输入，如果 Conv-BN-ReLU 这种结构，由于 BN 的归一化操作，异常输入基本不存在了，所以这个问题也被解决了，这也是目前 ReLU 仍然流行使用的原因。

总结和思考

ReLU作为深度学习领域的"GOAT"，优点包括单侧抑制、宽阔的激活边界和稀疏性。但它也存在不足，最常见的是ReLU Dying问题。这个问题是指当出现异常输入时，在反向传播中会产生大的梯度，这种大的梯度会导致神经元死亡和梯度消失。因此，需要根据具体问题选择适当的激活函数。

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