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C++builder中的人工智能（10）神经网络中的Sigmoid函数

article 2024/11/14 11:01:36

在这篇文章中，我们将探讨最受欢迎的激活函数之一——Sigmoid函数。我们将解释什么是Logistic函数，以及它与Sigmoid函数的区别，并展示如何在C++应用中使用这些函数。

人工神经网络（ANN）中的激活函数是什么？

激活函数（phi()），也称为转移函数或阈值函数，它根据净输入函数的给定值（sum）确定激活值（a = phi(sum)）。在这里，sum是它们权重中的信号之和，激活函数是这个和的新值，具有给定的函数或条件。换句话说，激活函数是将所有加权信号的和转换为该信号的新激活值的方法。有不同类型的激活函数，通常使用的是线性（恒等）、双极性和逻辑（sigmoid）函数。

在C++（以及大多数编程语言）中，你可以创建自己的激活函数。注意，sum是净输入函数的结果，它计算所有加权信号的和。我们将使用sum作为输入函数的结果。在这里，人工神经元（输出值）的激活值可以通过激活函数如下所示，

通过使用这个sum净输入函数值和phi()激活函数，让我们看看C++中的一些激活函数；现在让我们看看如何在这个示例公式中使用二进制步进函数，

Logistic函数（Logistic曲线）是什么？

Logistic函数或Logistic曲线是一个常见的S形曲线（sigmoid曲线），其方程如下，

在这里，

L是曲线的最大值，
x0是曲线中点的值，
k是Logistic增长率或曲线的陡峭程度。

在C或C++编程语言中，Logistic函数可以写成如下，

const double L = 1;
const double k = 0.8;
const double x0 = 0;
double phi(double sum) {
    return(L / (1 + std::exp(-k * (sum - x0)))); // Logistic函数或Logistic曲线
}

如果L、k和x0是常数，如上所述，它们可以直接包含在函数中，如下例所示（注意值可能有所不同）

double phi(double sum) {
    return(1 / (1 + std::exp(-0.8 * (sum)))); // Logistic函数或Logistic曲线
}

标准Logistic函数（Sigmoid函数）是什么？

最常用的Logistic函数是标准Logistic函数（Sigmoid函数），其中L和k为1，x0=0。因此，我们的函数可以写成如下，

double phi(double sum) {
    return(1 / (1 + std::exp(-1 * sum))); // 标准Logistic函数，Sigmoid函数
}

注意，这里的除法比乘法消耗更多的CPU，因此我们可以使用带有tanh()的版本，如下，

double phi(double sum) {
    return(0.5 * (1 + std::tanh(0.5 * sum))); // 标准Logistic函数，Sigmoid函数
}

如你所见，我们这里只有乘法和加法以及tanh()函数。如果网络的sum值在范围内，例如在（0-10）之间，为了获得更快的近似结果，可以使用数组结果。可能有一个包含10000个成员的y数组，例如y[1001]可以持有phi(1.0001)的预计算值。这将使你的神经网络更快，但也可能引起更多错误或难以达到期望的迭代次数。它应该与上面的一个标准sigmoid函数版本一起测试。

Sigmoid函数（标准Logistic函数）的示例

#include <iostream>
#define NN 2   // 神经元数量

class Tneuron { // 神经元类
public:
    bool a;       // 每个神经元的活动
    float w[NN+1]; // 神经元之间连接的权重

    Tneuron() {
        a = 0;
        for (int i = 0; i <= NN; i++) w[i] = -1;  // 如果权重是负数，则表示没有连接
    }

    // 定义输出神经元的激活函数（或阈值）
    double phi(double sum) {
        return(0.5 * (1 + std::tanh(0.5 * sum))); // 标准Logistic函数，Sigmoid函数
    }
};

Tneuron ne[NN+1]; // 神经元对象

void fire(int nn) {
    float sum = 0;

    for (int j = 0; j <= NN; j++) {
        if (ne[j].w[nn] >= 0) sum += ne[j].a * ne[j].w[nn];
    }

    ne[nn].a = ne[nn].phi(sum);
}

int main() {
    // 定义两个输入神经元（a0, a1）和一个输出神经元（a2）的活动
    ne[0].a = 0;
    ne[1].a = 1;
    ne[2].a = 0;

    // 定义来自两个输入神经元到输出神经元（0到2和1到2）的信号权重
    ne[0].w[2] = 0.3;
    ne[1].w[2] = 0.2;

    // 激发我们的人工神经元活动，输出将是
    fire(2);

    printf("%d\n", ne[2].a);
    getchar();
    return 0;
}

Logistic函数通常用于ANN应用中引入发展模型中的非线性，或者用于将信号限制在指定区间内。ANN元素计算其输入信号的线性组合，并应用有界的Logistic函数作为激活函数作为输出（激活值）。这可以被定义为经典阈值神经元的平滑版本。最常用的激活函数选择，用于将大振幅的信号剪辑以保持神经网络的响应有界。