Technical Reference · Non-Linearity

비선형 활성화 함수(Activation Functions) 비교 및 기울기 소실 분석

DOC_ID: MLP-ACT-02

1. 비선형성의 수학적 필요성과 선형 중첩 붕괴

신경망의 은닉층에 비선형 활성화 함수 $\sigma(\cdot)$가 존재하지 않는다면, $L$개의 레이어로 구성된 심층 다층 퍼셉트론은 단 하나의 단일 선형 변환으로 수학적으로 축약(Collapse)됩니다.

a^{[L]} = W^{[L]} (W^{[L-1]} (\dots (W^{[1]} x + b^{[1]}) \dots) + b^{[L-1]}) + b^{[L]} = W^* x + b^*

여기서 $W^* = \prod_{l=1}^L W^{[l]}$이며 $b^*$는 복합 편향 상수입니다. 즉, 비선형 변환 없이는 아무리 깊은 층을 구성하더라도 곡선이나 비선형 결정 경계를 표현할 수 없습니다.

2. 주요 활성화 함수의 수학적 정의 및 미분 도함수

2.1. 로지스틱 시그모이드 (Logistic Sigmoid)

실수 공간의 입력을 $(0, 1)$ 개구간으로 압축 사상하는 S자형 곡선입니다.

\sigma(z) = \frac{1}{1 + e^{-z}}, \quad \frac{d\sigma(z)}{dz} = \sigma(z)(1 - \sigma(z))

도함수 $\sigma'(z)$는 $z = 0$일 때 최댓값 $0.25$를 가지며, $|z| > 4$ 영역에서는 $0$에 극도로 수렴합니다. 이로 인해 심층 신경망에서 역전파 시 그래디언트가 급격히 $0$으로 소멸하는 기울기 소실(Vanishing Gradient)을 유발합니다.

2.2. 하이퍼볼릭 탄젠트 (Hyperbolic Tangent, Tanh)

시그모이드 함수를 선형 변환하여 원점 대칭(Zero-centered) 구조로 수정한 함수입니다.

\tanh(z) = \frac{e^z - e^{-z}}{e^z + e^{-z}} = 2\sigma(2z) - 1, \quad \frac{d\tanh(z)}{dz} = 1 - \tanh^2(z)

치역이 $(-1, 1)$이며 $z=0$에서의 1차 도함수 최댓값은 $1.0$입니다. 시그모이드 대비 평균 출력이 $0$에 가까워 수렴 속도가 향상되지만, 포화(Saturation) 구간에서는 여전히 기울기 소실 문제가 발생합니다.

2.3. 정류 선형 유닛 (ReLU, Rectified Linear Unit)

양수 영역에서는 항등 사상(Identity Mapping)을, 음수 영역에서는 $0$을 출력하는 구분적 선형(Piecewise Linear) 함수입니다.

f(z) = \max(0, z), \quad f'(z) = \begin{cases} 1 & \text{if } z > 0 \\ 0 & \text{if } z < 0 \end{cases}

지수 연산($e^z$)이 필요 없어 연산 속도가 빠르며, $z > 0$ 영역에서 도함수가 항상 $1$로 보존되어 기울기 소실을 효과적으로 억제합니다. 그러나 $z \le 0$ 영역으로 진입한 뉴런의 그래디언트가 영구히 $0$이 되는 Dying ReLU 현상이 발생할 수 있습니다.

2.4. Leaky ReLU

Dying ReLU 문제를 보완하기 위해 음수 영역에 작은 기울기 상수 $\alpha$ (통상 $0.01$)를 부여한 변형입니다.

f(z) = \max(\alpha z, z), \quad f'(z) = \begin{cases} 1 & \text{if } z > 0 \\ \alpha & \text{if } z \le 0 \end{cases}

3. 활성화 함수 공학적 특성 비교표

함수명 치역 (Range) 도함수 최댓값 $\max f'(z)$ 원점 중심 (Zero-Centered) 기울기 소실 저항도 계산 비용
Sigmoid $(0, 1)$ $0.25$ No 매우 낮음 (취약) 높음 ($e^{-z}$)
Tanh $(-1, 1)$ $1.00$ Yes 낮음 높음 ($e^z$)
ReLU $[0, \infty)$ $1.00$ No 매우 높음 ($z>0$) 극히 낮음 ($\max$)
Leaky ReLU $(-\infty, \infty)$ $1.00$ 부분적 지원 최고 (소멸 방지) 극히 낮음 ($\max$)

4. 다른 핵심 기술 문서 탐색