The expressiveness of neural networks highly depends on the nature of the activation function, although these are usually assumed predefined and fixed during the training stage. Under a signal processing perspective, in this paper we present Expressive Neural Network (ENN), a novel model in which the non-linear activation functions are modeled using the Discrete Cosine Transform (DCT) and adapted using backpropagation during training. This parametrization keeps the number of trainable parameters low, is appropriate for gradient-based schemes, and adapts to different learning tasks. This is the first non-linear model for activation functions that relies on a signal processing perspective, providing high flexibility and expressiveness to the network. We contribute with insights in the explainability of the network at convergence by recovering the concept of bump, this is, the response of each activation function in the output space. Finally, through exhaustive experiments we show that the model can adapt to classification and regression tasks. The performance of ENN outperforms state of the art benchmarks, providing above a 40% gap in accuracy in some scenarios.


翻译:摘要:神经网络的表达能力高度依赖于激活函数的性质,尽管这些函数在训练阶段通常被预设为固定形式。本文从信号处理视角出发,提出了一种新颖的模型——表达性神经网络(ENN)。在该模型中,非线性激活函数通过离散余弦变换(DCT)进行建模,并在训练过程中利用反向传播进行自适应调整。这种参数化方法不仅保持了较低的可训练参数量,适用于基于梯度的优化方案,还能适应不同的学习任务。这是首个基于信号处理视角的激活函数非线性模型,为网络提供了高度的灵活性和表达能力。通过恢复"凸包"概念(即每个激活函数在输出空间中的响应),我们为网络收敛后的可解释性提供了深刻见解。最后,通过大量实验证明,该模型能够适应分类与回归任务。ENN的性能超越了当前最先进的基准模型,在某些场景下准确率提升超过40%。

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