Carefully designed activation functions can improve the performance of neural networks in many machine learning tasks. However, it is difficult for humans to construct optimal activation functions, and current activation function search algorithms are prohibitively expensive. This paper aims to improve the state of the art through three steps: First, the benchmark datasets Act-Bench-CNN, Act-Bench-ResNet, and Act-Bench-ViT were created by training convolutional, residual, and vision transformer architectures from scratch with 2,913 systematically generated activation functions. Second, a characterization of the benchmark space was developed, leading to a new surrogate-based method for optimization. More specifically, the spectrum of the Fisher information matrix associated with the model's predictive distribution at initialization and the activation function's output distribution were found to be highly predictive of performance. Third, the surrogate was used to discover improved activation functions in CIFAR-100 and ImageNet tasks. Each of these steps is a contribution in its own right; together they serve as a practical and theoretical foundation for further research on activation function optimization. Code is available at https://github.com/cognizant-ai-labs/aquasurf, and the benchmark datasets are at https://github.com/cognizant-ai-labs/act-bench.


翻译:机器学习任务中,经过精心设计的激活函数可以提高神经网络的性能。然而,人类很难构造最优激活函数,而当前的搜索算法又过于昂贵。本文试图通过三个步骤改进现有技术:一、通过使用 2,913 种系统生成的激活函数,从零开始训练卷积、残差和 Vision Transformer 架构,创建基准数据集 Act-Bench-CNN、Act-Bench-ResNet 和 Act-Bench-ViT。二、对基准空间进行表征,开发出一种新的基于代理模型的优化方法。具体而言,在初始化时模型预测分布所关联的 Fisher 信息矩阵与激活函数输出分布的光谱被发现高度预测了性能。三、代理模型被用于在 CIFAR-100 和 ImageNet 任务中发现了改进的激活函数。每个步骤都是独立的贡献;它们共同为激活函数优化的进一步研究提供了实际和理论基础。代码可在 https://github.com/cognizant-ai-labs/aquasurf 上找到,基准数据集可在 https://github.com/cognizant-ai-labs/act-bench 找到。

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