计算机视觉中的深度学习3: 线性分类

Slides：百度云 提取码: gs3n

线性分类的参数

线性分类的公式

$$f(x,W)=Wx+b$$
其中$W$为参数或者权重

以一个有$10$类的$32\times 32\times 3$的图片为例
其中$f(x,W)$和$b$为$(10,)$向量，$W$为$(10,3072)$的矩阵，$x$为$(3072,)$的向量。

也可以把bias并到Weight里面，就变成如下了
公式也可以简化成

$$f(x,W)=Wx$$

线性分类的效果

线性分类是在一个多维空间里面用多个超平面进行分割

线性分类的缺点

很多问题不能通过线性分类来解决，比如在上个世纪把人工智能打入谷底的XOR问题

Loss函数

如何选一个好的W让分类器表现有优秀

1. 找一个好的loss函数
2. 找一个能让loss函数值最小的W

高的Loss：分类器表现糟糕
低的Loss：分类器表现优秀

对于一个数据集，$x_i$是图片，$y_i$是标签
$$\{(x_i),y_i{\}}_{i=1}^N$$
那么Loss函数就是用于描述预测值与实际值中差异的函数
$$L_i(f(x_i,W),y_i)$$
通常会用一个数据集的平均Loss来表示这个分类器在这个数据集上的表现
$$L=\frac{1}{N}\sum _i{L}_i(f(x_i,W),y_i)$$

Multiclass SVM Loss

$$L_i=\sum _{j\ne y_i}(0,s_j-s_{y_i}+1)$$

对于这张猫图，它对于这几个分类计算出来的结果是这样的

那么它的SVM Loss就是
$$\begin{array}{rl}{L}_0& =max(0,5.1-3.2+1)+max(0,-1.7-3.2+1)\\ & =max(0,2.9)+max(0,-3.9)\\ & =2.9\end{array}$$

平均的Loss则是$L=(2.9+=+12.9)/3=5.27$

正则化

正则化的目的是为了防止分类器在训练集上表现过好，防止过拟合现象；同时可以增加曲率从而优化训练的过程

$$L(W)=\frac{1}{N}\sum _{i=1}^N{L}_i(f(x_i,W),y_i)+\lambda R(W)$$

常用的正则化方式

1. L2正则：$R(W)={\sum }_k{\sum }_l{W}_{k,l}^2$
2. L1正则：$R(W)={\sum }_k{\sum }_l\mid W_{k,l}\mid$
3. Elastic Net（L1+L2）：$R(W)={\sum }_k{\sum }_l\beta W_{k,l}^2+\mid W_{k,l}\mid$
4. Dropout：丢掉一些训练结果
5. 归一化
6. Cutout，Mixup， Stochastic depth

正则化的效果

对于w1和w2，他们的训练结果都是一样的，但是对于L2正则函数而言，他们会更喜欢均匀分布的权重，即w2。

Cross-Entropy Loss

通过将分数改变为概率，即，对于$X_i$是$y=k$的概率是：

$$P(Y=k\mid X=x_i)=\frac{e^{s_k}}{{\sum }_j{e}^{s_j}}$$

那么它的Loss函数就是

$$L_i=-logP(Y=y_j\mid X=x_i)$$

利用KL散度衡量两个分布之间的差异。