这篇文章的目的是推导最大值函数$\max(x,y)$的一个光滑可导函数，并且该函数具有多阶可导性。实际上这和深度学习的关系并不是特别大，只有极少数情况会用到
在数学分析中，当$x\ge0,y\ge0$时，我们有
$$ \max(x,y) = \frac{1}{2}(|x+y|+|x-y|)\tag{1} $$
那么，为了寻求一个最大值的光滑函数，我们首先考虑寻找一个能够近似表示绝对值$|x|$的函数。那么，哪些函数可以使用呢？
直接观察挺难发现哪个函数可以使用的，我们将问题逐步向简单推进。对$f(x)=|x|$求导，除了$x=0$这一点外，其他都可以顺利求导
$$ f'(x) = \begin{cases}1,\quad &x>0\\-1, \quad &x < 0\end{cases} \tag{2} $$
到此为止，我们要做的是利用一个函数$g(x)$，将其仿射变换为$f'(x)$。而关于函数$g(x)$的选择，应该至少满足以下两点：
- 应该是个分段函数
- 求不定积分简单，或者说至少能查到$\int g(x)dx$的结果
实际上$g(x)$也确实有许多满足上述两点的选择，以下就分别给出选择$\text{sign}(x)$和单位阶跃函数$\theta(x)$的推导
$\text{sign}(x)$
首先回顾$\text{sign}(x)$的形式：
$$ \text{sign}(x)=\begin{cases}1,\quad &x>0\\-1, \quad &x < 0\end{cases} \tag{3} $$
于是就有$f'(x)=\text{sign}(x)$，下面只需要寻求$\text{sign}(x)$的近似函数，很容易想到
$$ \text{sign}(x)=\lim_{k\to +\infty} \tanh(kx)\tag{4} $$
其中，$\tanh(x)=\frac{e^x-e^{-x}}{e^x+e^{-x}}$。由于$f'(x)=\tanh(kx)$，积分得
$$ \begin{aligned} f(x) &= \frac{1}{k}\ln(\cosh(kx))\\ &=\frac{1}{k}\ln(\frac{e^{kx}+e^{-kx}}{2})\\ &=\frac{1}{k}[\ln(e^{kx}+e^{-kx})-\ln2] \end{aligned}\tag{5} $$
不难发现，(5)式中的对数部分，在$k$足够大的时候，常数$\ln2$的影响微乎其微，把它去掉之后，我们有一个比较简单的绝对值函数：
$$ |x|=\lim_{k\to +\infty} \frac{1}{k}\ln(e^{kx}+e^{-kx})\tag{6} $$
$\theta(x)$
首先回顾单位阶跃函数$\theta(x)$的形式：
$$ \theta(x)=\begin{cases}1,\quad &x>0\\0, \quad &x < 0\end{cases} \tag{7} $$
那么
$$ f'(x) = 2\theta(x) - 1 \tag{8} $$
下面只需要寻求$\theta(x)$的近似函数，物理学家已经提供现成的函数给我们了，一个比较简单的形式是
$$ \theta(x)=\lim_{k\to +\infty} \sigma(kx)=\lim_{k\to +\infty} \frac{1}{1+e^{-k x}}\tag{9} $$
那么我们就可以取$\frac{1}{1+e^{-kx}}$作为近似函数了，带入(8)式得到$\frac{2}{1+e^{-kx}} - 1$，积分得
$$ \begin{aligned}f(x)&=\frac{2}{k}\ln(1+e^{kx})-x\\ &= \frac{1}{k}\ln(1+e^{kx}) +\frac{1}{k}[\ln(1+e^{kx}) -\ln e^{kx}]\\ &=\frac{1}{k}\left[\ln(1+e^{kx})+\ln(1+e^{-kx})\right]\\ &=\frac{1}{k}\ln(2+e^{kx}+e^{-kx})\end{aligned}\tag{10} $$
同理，当$k$足够大的时候，常数2的影响微乎其微，把它去掉之后，我们同样得到一个比较简单的绝对值函数
$$ |x| = \lim\limits_{k \to +\infty}\frac{1}{k} \ln(e^{kx} + e^{-kx}) \tag{11} $$
对比(6)和(11)可知，无论选用$\text{sign}(x)$还是$\theta(x)$，最终$|x|$的近似函数都是一样的，这也从侧面证明了这个式子的准确性
将式(11)带入到式(1)得
$$ \begin{aligned} \max(x,y) &= \frac{1}{2}(|x+y|+|x-y|)\\ &= \lim\limits_{k \to +\infty}\frac{1}{2k}\{\ln[e^{k(x+y)} + e^{-k(x+y)}]+\ln[e^{k(x-y)} + e^{-k(x-y)}]\}\\ &= \lim\limits_{k \to +\infty}\frac{1}{2k}\ln(e^{2kx}+e^{-2kx}+e^{2ky}+e^{-2ky}) \end{aligned}\tag{12} $$
由于式(1)是在$x\ge 0, y\ge 0$时成立的，所以式(12)中的$e^{-2kx},e^{-2ky}$都不重要了，我们也把它去掉，进一步得到
$$ \max(x,y) = \lim\limits_{k \to +\infty}\frac{1}{2k}\ln(e^{2kx}+e^{2ky}) \tag{13} $$
或者写成
$$ \max(x,y) = \lim\limits_{k \to +\infty}\frac{1}{k}\ln(e^{kx}+e^{ky}) \tag{14} $$
(14)式正是我们希望得到的理想的最大值函数。虽然我们的推导基于$x\ge0,y\ge0$，但是不难发现，对于$x,y$中出现负数时，上述公式仍然成立！它甚至还可以推广到多个变量的最大值函数：
$$ \max(x,y,z,\dots)=\lim_{k\to +\infty} \frac{1}{k}\ln(e^{kx}+e^{ky}+e^{kz}+\dots)\tag{15} $$
补充
对于式(14)我们不妨设$k=1$，令$x=3,y=8$，则$\ln(e^3 + e^8)\approx8.00672$ 。由于$x$和$y$都在指数位置上，因此它们的差距将会放得很大。虽然3和8这两个数虽然相隔不远，但$e^3\approx20.0855,e^8\approx2980.96$，两个幂差了几个数量级。因此，把$e^3$加到$e^8$上，几乎不会改变$e^8$的大小。对$e^3+e^8$取对数的结果和直接对$e^8$取对数的结果相差不多，并且这个函数可以通过控制$k$的大小实现精度控制，$k$越大则结果越近似
这实际上是做了这样的一个事情：找一个在整个实数域上都单调递增的函数，而且增长速度要快于线性增长，然后求和，最后取逆函数。因此，不难构造出类似的函数：我们选$f(x)=x^{2k+1}$，那么得到
$$ \max(x,y)=\lim_{k\to+\infty} \sqrt[2k+1]{x^{2k+1}+y^{2k+1}}\tag{16} $$
当然，(16)的精度（或者说收敛速度）远没有(14)那么好，要提高精度也不难，比如
$$ \max(x,y)=\lim_{k\to +\infty} \frac{1}{k}\ln\ln \left(e^{e^{kx}}+e^{e^{ky}}\right)\tag{17} $$
