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【深度学习】Pytorch：更换激活函数

article 2025/3/10 10:52:59

在深度学习模型的设计过程中，激活函数（Activation Function）是一个至关重要的组件，它赋予神经网络非线性能力，从而使其能够学习复杂的特征。然而，在模型训练的过程中，我们可能会发现某些激活函数并不适合当前任务，因此需要进行替换。

本文将介绍如何在 Pytorch 中批量替换模型中的激活函数，使得我们可以灵活调整网络结构，以提高模型的表现。

激活函数的作用

在深度学习中，激活函数的作用主要有以下几点：

引入非线性，使神经网络能够学习复杂的模式。
控制梯度流动，避免梯度消失或梯度爆炸问题。
影响模型的收敛速度和最终性能。

常见的激活函数包括 ReLU（Rectified Linear Unit）、Leaky ReLU、Sigmoid、Tanh、GELU、ELU 等。

代码实现：批量替换激活函数

在 Pytorch 中，我们可以通过递归遍历模型的方式，自动替换指定的激活函数。以下是一个通用的 Python 函数 replace_activation，用于将某种激活函数替换为新的激活函数。

import torch.nn as nn

def replace_activation(model, target_activation, replacement_activation):
    """
    递归地遍历模型并替换所有目标激活函数。

    :param model: 要处理的 PyTorch 模型（nn.Module）。
    :param target_activation: 需要被替换的激活函数类型（例如 nn.ReLU）。
    :param replacement_activation: 替换为的新激活函数（例如 nn.LeakyReLU）。
    :return: 处理后的模型。
    """
    # 如果当前层是目标激活函数，则替换
    if isinstance(model, target_activation):
        return replacement_activation()

    # 递归处理 nn.Module 类型的子模块
    if isinstance(model, nn.Module):
        for name, module in model.named_children():
            setattr(model, name, replace_activation(module, target_activation, replacement_activation))

    # 递归处理 nn.Sequential 和 nn.ModuleList
    elif isinstance(model, (nn.Sequential, nn.ModuleList)):
        for i, module in enumerate(model):
            model[i] = replace_activation(module, target_activation, replacement_activation)

    return model

示例：替换 ReLU 为 LeakyReLU

假设我们有一个简单的神经网络，其中包含 ReLU 激活函数，我们可以使用 replace_activation 方法将其替换为 LeakyReLU。

import torch

# 定义一个简单的 CNN 网络
class SimpleCNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleCNN, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 16, kernel_size=3, padding=1)
        self.relu1 = nn.ReLU()
        self.conv2 = nn.Conv2d(16, 32, kernel_size=3, padding=1)
        self.relu2 = nn.ReLU()
        self.fc = nn.Linear(32 * 28 * 28, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.relu1(self.conv1(x))
        x = self.relu2(self.conv2(x))
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = self.fc(x)
        return x

# 创建模型实例
model = SimpleCNN()
print("替换前:")
print(model)

# 替换 ReLU 为 LeakyReLU
model = replace_activation(model, nn.ReLU, lambda: nn.LeakyReLU(negative_slope=0.1))

print("\n替换后:")
print(model)

扩展应用

替换其他类型的激活函数：

例如，将 Sigmoid 替换为 Tanh：

model = replace_activation(model, nn.Sigmoid, lambda: nn.Tanh())

替换为自定义激活函数：

如果需要更复杂的激活函数，可以定义自己的 nn.Module，然后进行替换。

class CustomActivation(nn.Module):
   def forward(self, x):
       return x * torch.sigmoid(x)  # Swish 激活函数

model = replace_activation(model, nn.ReLU, CustomActivation)