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앞서 은닉층에서 자주 사용되는 함수인 렐루(ReLU)에 대해 알아보았다. 그러나, 렐루 함수는 음수인 값들을 모두 0으로 만들어 Dying ReLU를 만드는 문제점이 있다고 하였다.

 렐루 함수는 아주 단순하지만, 그 단순함을 무기로 딥러닝의 길을 연 활성화 함수라 할 수 있고, 이러한 렐루 함수의 한계점을 보완하기 위해 다양한 활성화 함수들이 만들어졌으며, 지금도 만들어지고 있다.

 이번 포스트에서는 렐루 함수의 단점을 보완하기 위해 만들어진 활성화 함수들에 대해 알아보겠다.

1. 리키 렐루(Leaky ReLU, LReLU)

• 렐루 함수의 한계점의 원인은 음수 값들이 모두 0이 된다는 것이었다.
• 이를 해결하기 위해, 음수를 일부 반영해주는 함수인 리키 렐루가 등장하게 되었다.
• 기존 렐루 함수는 음수를 모두 0으로 해주었다면,
• 리키 렐루는 음수를 0.01배 한다는 특징이 있다.

>>> import numpy as np
>>> import matplotlib.pyplot as plt

# Leaky ReLU를 만들어보자
>>> def Leaky_ReLU(x):
    
>>>     return np.maximum(0.01*x, x)

>>> x = np.arange(-100.0, 100.0, 0.1)
>>> y = Leaky_ReLU(x)

>>> fig = plt.figure(figsize=(8,6))
>>> fig.set_facecolor('white')

>>> plt.ylim(-5, 20)
>>> plt.title("Leaky ReLU", fontsize=30)
>>> plt.xlabel('x', fontsize = 15)
>>> plt.ylabel('y', fontsize = 15, rotation = 0)
>>> plt.axvline(0.0, color='gray', linestyle="--", alpha=0.8)
>>> plt.axhline(0.0, color='gray', linestyle="--", alpha=0.8)
>>> plt.plot(x, y)
>>> plt.show()

• 보시다시피 Leaky ReLU는 음수에 아주 미미한 값(0.01)을 곱하여, Dying ReLU를 막고자 하였다.
• 그러나, 음수에서 선형성이 생기게 되고, 그로 인해 복잡한 분류에서 사용할 수 없다는 한계가 생긴다. 
• 도리어 일부 사례에서 Sigmoid 함수나 Tanh 함수보다도 성능이 떨어진다는 이야기가 나올 때도 있다.
• 만약, 음수가 아주 중요한 상황이라면 제한적으로 사용하는 것을 추천한다.

파라미터 렐루(Parameter ReLU, PReLU)

• 렐루 함수가 0.01이라는 고정된 값을 음수에 곱해준다면, 파라미터 렐루는 이 값을 $\alpha$로 하여, 하이퍼 파라미터로써 내가 원하는 값을 줄 수 있도록 만든 활성화 함수다.

# Leaky ReLU를 만들어보자
>>> def Leaky_ReLU(x):
    
>>>     return np.maximum(0.01*x, x)


# PReLU를 만들어보자
>>> def PReLU(x, a):
    
>>>     return np.maximum(a*x, x)

>>> x = np.arange(-100.0, 100.0, 0.1)
>>> y1 = Leaky_ReLU(x)
>>> y2 = PReLU(x,0.05)

>>> fig = plt.figure(figsize=(8,6))
>>> fig.set_facecolor('white')

>>> plt.ylim(-5, 20)
>>> plt.title("Leaky ReLU & PReLU", fontsize=30)
>>> plt.xlabel('x', fontsize = 15)
>>> plt.ylabel('y', fontsize = 15, rotation = 0)
>>> plt.axvline(0.0, color='gray', linestyle="--", alpha=0.8)
>>> plt.axhline(0.0, color='gray', linestyle="--", alpha=0.8)
>>> plt.plot(x, y1, c = "blue", linestyle = "--", label = "Leaky ReLU")
>>> plt.plot(x, y2, c = "green", label = "PReLU")
>>> plt.legend(loc="upper right")
>>> plt.show()

• PReLU는 Leaky ReLU와 그 성격이 상당히 비슷하지만, 음수의 계수인 $\alpha$를 가중치 매개변수처럼 학습되도록 역전파에 $\alpha$의 값이 변경되기 때문에, 대규모 이미지 데이터셋에서는 ReLU보다 성능이 좋다는 이야기가 있으나, 소규모 데이터셋에서는 과적합(Over fitting)될 위험이 있다.
• 또한, PReLU 역시 선형성을 띄기 때문에 복잡한 분류에서 사용하지 못할 수 있으므로, 주의해서 사용하는 것이 좋다.
• LReLU, PReLU 모두 기본으로는 ReLU 함수를 사용하고, 성능 개선 시, 활성화 함수를 해당 활성화 함수로 바꿔가며 실험해보고 사용하는 것을 추천한다.

2. ELU(Exponential Linear Unit)

• E렐루는 2015년에 나온 비교적 최근 방법으로, 각져 있는 ReLU를 exp를 사용해, 부드럽게(Smooth) 만든 것이다.

$$f(x) = \begin{cases}
x \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \  (x > 0) \\ 
\alpha(e^x - 1) \ \  (x\leq 0)
\end{cases}$$

# ELU 함수를 만들어보자
>>> def ELU(x, a=1):
    
>>>     return (x>0)*x + (x<=0)*(a*(np.exp(x) - 1))

• 위 코드에서 (x>0)은 x가 0보다 큰 값만 True로 하여 1로 나머지 값은 0으로 만든다.
• (x <=0)은 0 이하인 값만 True로 하여 1로 하고 나머지 값은 0으로 만든다.
• 0보다 큰 경우 x가 곱해지고, 0 이하는 $exp(x) - 1$이 곱해진다.
• 각 반대되는 영역은 0이므로, 두 array을 합치면, 의도한 양수는 본래의 값, 나머지 값은 $exp(x) - 1$이 곱해져서 더해진다.
• 이러한 Masking을 이용한 Numpy 연산은 코드를 단순하게 하고, 연산 시간을 크게 줄이므로, 꼭 익히도록 하자.

>>> x = np.arange(-30.0, 30.0, 0.1)
>>> a = 1
>>> y = ELU(x,a)

>>> fig = plt.figure(figsize=(8,7))
>>> fig.set_facecolor('white')

>>> plt.ylim(-3, 25)
>>> plt.xlim(-20, 20)
>>> plt.title("ELU", fontsize=30)
>>> plt.xlabel('x', fontsize = 15)
>>> plt.ylabel('y', fontsize = 15, rotation = 0)
>>> plt.axvline(0.0, color='gray', linestyle="--", alpha=0.8)
>>> plt.axhline(0.0, color='gray', linestyle="--", alpha=0.8)
>>> plt.plot(x, y)
>>> plt.show()

• ELU는 ReLU와 유사하게 생겼으면서도, exp를 이용해 그래프를 부드럽게 만들고, 그로 인해 미분 시, 0에서 끊어지는 ReLU와 달리 ELU는 미분해도 부드럽게 이어진다.
• ERU는 ReLU의 대표적인 대안 방법 중 하나다.
• ERU는 ReLU와 달리 음의 출력을 생성할 수 있다.
• ERU는 LReLU나 PReLU와 달리 음에서도 비선형적이기 때문에 복잡한 분류에서도 사용할 수 있다.
• $\alpha$는 일반적으로 1로 설정하며, 이 경우 $x=0$에서 급격하게 변하지 않고, 모든 구간에서 매끄럽게 변하므로, 경사 하강법에서 수렴 속도가 빠르다고 한다.
• 그러나, ReLU에 비해 성능이 크게 증가한다는 이슈가 없으며, 되려 exp의 존재로 연산량이 늘어났기에 학습 속도가 ReLU에 비해 느려서 잘 사용하지 않는다.

SELU(Scaled Exponential Linear Unit)

• 일반적으로 ELU는 $\alpha$에 1을 넣으므로, PReLU처럼 $\alpha$를 하이퍼 파라미터 값으로 넣어 학습시킬 수 있게, ELU를 수정한 것이다.
• $\alpha$ 2개를 파라미터로 넣어 학습시키면, 활성화 함수의 분산이 일정하게 나와 성능이 좋아진다고 한다.
• 그러나 알파 값에 따라 활성화 함수의 결괏값이 일정하지 않아 층을 많이 쌓을 수 없다고 한다.
• SELU 역시 ReLU에 비해 성능이 그리 뛰어나지 않고, 연산만 늘어나므로, 정 쓰고자 한다면 SELU보다 ELU를 추천한다.

 지금까지 ReLU와 유사한 ReLU의 형제들에 대해 알아보았다. LReLU, PReLU, ELU, SELU 중에 개인적으로는 ELU를 추천하지만, 소모되는 시간에 비해 성능 향상이 미비하거나 되려 성능이 내려가기도 하니 주의해서 쓰도록 하자.

 cs231n 강의에서는 ReLU > LReLU or ELU 순으로 사용할 것을 이야기하였으며, 가능한 sigmoid는 사용하지 말라고 하였다.

 이외에도 tanh함수를 대체하기 위해 고안된 softsign, ReLU를 부드럽게 꺾은 듯한 softplus와 Google이 최근 발표하였고, 높은 성능이 기대되는 Swish, ReLU와 LReLU를 일반화한 Maxout 등 다양한 활성화 함수가 존재하고, 지금도 새로 만들어지고 있다. 

 이러한 새로운 활성화 함수 중 성능이 괜찮다는 이슈가 있는 것은 추후 포스팅을 하도록 하고, 퍼셉트론에 기존의 계단 함수가 아닌 지금까지 학습해왔던 활성화 함수가 들어가 다층을 쌓아 만들어내는 신경망에 대해 차근차근 학습해보도록 하겠다.

 혹여 활성화함수에 대해 더 관심이 있다면 아래 홈페이지를 참고하기 바란다.

www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/keras/activations

 지금까지 계단 함수, 선형 함수, 시그모이드 함수, 소프트맥스 함수, 하이퍼볼릭 탄젠트 함수에 대해 다뤄보았다. 이들은 은닉층에서 사용해서는 안되거나, 사용할 수 있더라도 제한적으로 사용해야 하는 활성화 함수들이었다. 이번 포스트에서는 은닉층에서 많이 사용되는 렐루 함수에 대해 학습해 보겠다.

렐루 함수(Rectified Linear Unit, ReLU)

• 렐루 함수는 딥러닝 역사에 있어 한 획을 그은 활성화 함수인데, 렐루 함수가 등장하기 이전엔 시그모이드 함수를 활성화 함수로 사용해서 딥러닝을 수행했다.
• 그러나, 이전 포스트에서 언급했듯 시그모이드 함수는 출력하는 값의 범위가 0에서 1사이므로, 레이어를 거치면 거칠수록 값이 현저하게 작아지게 되어 기울기 소실(Vanishing gradient) 현상이 발생한다고 하였다.
  gooopy.tistory.com/52?category=824281

• 이 문제는 1986년부터 2006년까지 해결되지 않았으나, 제프리 힌튼 교수가 제안한 렐루 함수로 인해, 시그모이드의 기울기 소실 문제가 해결되게 되었다.
• 렐루 함수는 우리 말로, 정류된 선형 함수라고 하는데, 간단하게 말해서 +/-가 반복되는 신호에서 -흐름을 차단한다는 의미다.
• 렐루 함수는 은닉층에서 굉장히 많이 사용되는데, 별생각 없이 다층 신경망을 쌓고, 은닉층에 어떤 활성화 함수를 써야 할지 모르겠다 싶으면, 그냥 렐루 함수를 쓰라고 할 정도로, 아주 많이 사용되는 활성화 함수이다(물론 신경망을 의도를 가지고 써보고 싶다면, 그래선 안된다.).

1. 렐루 함수의 생김새

• 렐루 함수는 +신호는 그대로 -신호는 차단하는 함수라고 하였는데, 그 생김새는 아래와 같다.

$$ h(x) = \begin{cases}
 x \ \ \ (x>0) \\ 
 0 \ \ \ (x\leq 0) 
\end{cases} $$

• 말 그대로, 양수면 자기 자신을 반환하고, 음수면 0을 반환한다.
• 이번에는 이를 구현해보고, 어떻게 생겼는지 확인해보자.

>>> import numpy as np

# ReLU 함수를 구현해보자
>>> def ReLU(x):
    
>>>     return np.maximum(0, x)

• 단순하게 최댓값 함수를 사용하여 지금 들어온 값(원소별 연산이 된다!)이 0보다 크면 자기 자신을 반환하고, 그렇지 않으면, 최댓값인 0을 반환하는 함수를 이용해서 구현하였다.

>>> import matplotlib.pyplot as plt

>>> x = np.arange(-5.0, 5.0, 0.1)
>>> y = ReLU(x)

>>> fig = plt.figure(figsize=(8,6))
>>> fig.set_facecolor('white')

>>> plt.title("ReLU", fontsize=30)
>>> plt.xlabel('x', fontsize = 15)
>>> plt.ylabel('y', fontsize = 15, rotation = 0)
>>> plt.axvline(0.0, color='gray', linestyle="--", alpha=0.8)
>>> plt.axhline(0.0, color='gray', linestyle="--", alpha=0.8)
>>> plt.plot(x, y)
>>> plt.show()

• 가장 많이 사용되는 활성화함수라기엔 지금까지 보아왔던 시그모이드, 소프트맥스, 하이퍼볼릭 탄젠트 등에 비해 너무 단순하게 생겼다는 생각이 들 것이다.
• 그렇다면 왜 렐루 함수를 은닉층에서 많이 사용할까?

2. 렐루 함수를 은닉층에서 많이 사용하는 이유

기울기 소실(Vanishing Gradient) 문제가 발생하지 않는다.

• 렐루 함수는 양수는 그대로, 음수는 0으로 반환하는데, 그러다 보니 특정 양수 값에 수렴하지 않는다. 
• 즉, 출력값의 범위가 넓고, 양수인 경우 자기 자신을 그대로 반환하기 때문에, 심층 신경망인 딥러닝에서 시그모이드 함수를 활성화 함수로 사용해 발생한 문제였던 기울기 소실(Vanishing Gradient) 문제가 발생하지 않는다.

기존 활성화 함수에 비해 속도가 매우 빠르다

• 동시에 렐루 함수의 공식은 음수면 0, 양수면 자기 자신을 반환하는 아주 단순한 공식이다 보니, 경사 하강 시 다른 활성화 함수에 비해 학습 속도가 매우 빠르다!
• 확률적 경사하강법(SGD)을 쓴다고 할 때, 시그모이드 함수나 하이퍼볼릭 탄젠트 함수에 비해 수렴하는 속도가 약 6배 가까이 빠르다고 한다!
• ReLU가 나오기 전에는 활성화 함수가 부드러워야(Smooth) 가중치 업데이트가 잘된다고 생각하여 exp 연산이 들어간 시그모이드나, 하이퍼볼릭 탄젠트 함수를 사용하여쓰나, 활성화 함수가 부드러운(Smooth)한 구간에 도달하는 순간 가중치 업데이트 속도가 매우 느려진다.
• ReLU는 편미분(기울기) 시 1로 일정하므로, 가중치 업데이트 속도가 매우 빠르다.

3. 렐루 함수의 한계점

• 렐루 함수의 그래프를 보면, 음수 값이 들어오는 경우 모두 0으로 반환하는 문제가 있다보니, 입력값이 음수인 경우 기울기도 모조리 0으로 나오게 된다.
• 입력값이 음수인 경우에 한정되긴 하지만, 기울기가 0이 되어 가중치 업데이트가 안되는 현상이 발생할 수 있다.
• 즉, 가중치가 업데이트 되는 과정에서 가중치 합이 음수가 되는 순간 ReLU는 0을 반환하기 때문에 해당 뉴런은 그 이후로 0만 반환하는 아무것도 변하지 않는 현상이 발생할 수 있다.
• 이러한 죽은 뉴런(Dead Neuron)을 초래하는 현상을 죽어가는 렐루(Dying ReLU) 현상이라고 한다.
• 또한 렐루 함수는 기울기 소실 문제 방지를 위해 사용하는 활성화 함수이기 때문에 은닉층에서만 사용하는 것을 추천한다.
• ReLU의 출력값은 0 또는 양수이며, ReLU의 기울기도 0 또는 1이므로, 둘 다 양수이다. 이로 인해 시그모이드 함수처럼 가중치 업데이트 시 지그제그로 최적의 가중치를 찾아가는 지그재그 현상이 발생한다.
• 또, ReLU의 미분은 0 초과 시, 1 0은 0으로 끊긴다는 문제가 있다. 즉, ReLU는 0에서 미분이 불가능하다.
  (이에 대해 활성화 함수로는 미분 불가능 하다할지라도, 출력값 문제는 아니고, 0에 걸릴 확률이 적으니, 이를 무시하고 사용한다.)

 지금까지 은닉층에서 주로 사용되는 활성화 함수인 렐루 함수에 대해 학습해보았다. 비록 렐루 함수가 입력값이 0일 때, 기울기가 0에 수렴해 가중치 업데이트가 안 되는 현상이 발생한다고는 하지만, 성능상 큰 문제가 없으며, 도리어 이를 해결하기 위해 만든 활성화 함수의 성능이 보다 안 나오는 경우도 있다고 한다.

 때문에 기본적으로 은닉층에서는 렐루 함수를 사용하지만, 때에 따라 렐루 함수의 단점이 두드러지는 경우도 존재하므로, 렐루 함수의 한계점을 보완하기 위한 렐루 함수의 형제 함수들이 있다. 

 다음 포스트에서는 렐루 함수의 한계점을 극복하기 위해 만들어진 다양한 활성화 함수에 대해 학습해보도록 하곘다.