本文代码基于Pytorch实现。
s o f t m a x ( x i ) = e x p ( x i ) ∑ j n e x p ( x j ) softmax(x_i) = \frac{exp(x_i)}{\sum_j^nexp(x_j)} softmax(xi)=∑jnexp(xj)exp(xi)
def softmax(X):
'''
实现softmax
输入X的形状为[样本个数,输出向量维度]
'''
return torch.exp(X) / torch.sum(torch.exp(X), dim=1).reshape(-1, 1)
>>> X = torch.randn(5, 5)
>>> y = softmax(X)
>>> torch.sum(y, dim=1)
tensor([1.0000, 1.0000, 1.0000, 1.0000])
softmax可以对线性层的输出做规范化校准:保证输出为非负且总和为1。
因为如果直接将未规范化的输出看作概率,会存在2点问题:
当 x i x_i xi的取值过大时,指数运算的取值过大,若超出精度表示范围,则上溢出。
>>> torch.exp(torch.tensor([1000]))
tensor([inf])
当向量 x \boldsymbol x x的每个元素 x i x_i xi的取值均为绝对值很大的负数时,则 e x p ( x i ) exp(x_i) exp(xi)的数值很小超出了精度范围向下取0,分母 ∑ j e x p ( j ) \sum_jexp(j) ∑jexp(j)的取值为0。
>>> X = torch.ones(1, 3) * (-1000)
>>> softmax(X)
tensor([[nan, nan, nan]])
参考1中的技巧:
def softmax_trick(X):
c, _ = torch.max(X, dim=1, keepdim=True)
return torch.exp(X - c) / torch.sum(torch.exp(X - c), dim=1).reshape(-1, 1)
>>> X = torch.tensor([[-1000, 1000, -1000]])
>>> softmax_trick(X)
tensor([0., 1., 0.])
>>> softmax(X)
tensor([[0., nan, 0.]])
pytorch的实现中已经做过了防止溢出的处理,所以,其运行结果与softmax_trick
一致。
import pytorch.nn.functional as F
>>> X = torch.tensor([[-1000., 1000., -1000.]])
>>> F.softmax(X, dim=1)
tensor([[0., 1., 0.]])
1. 避免下溢出
对数运算可以将相乘变为相加,即: l o g ( x 1 x 2 ) = l o g ( x 1 ) + l o g ( x 2 ) log(x_1x_2) = log(x_1) + log(x_2) log(x1x2)=log(x1)+log(x2)。 当两个很小的数 x 1 、 x 2 x_1、x_2 x1、x2相乘时,其乘积会变得更小,超出精度则下溢出;而对数操作将乘积变为相加,降低了下溢出的风险。
2. 避免上溢出
l o g − s o f t m a x log-softmax log−softmax的定义:
l o g − s o f t m a x = l o g [ s o f t m a x ( x i ) ] = l o g ( e x p ( x i ) ∑ j n e x p ( x j ) ) = x i − l o g [ ∑ j n e x p ( x j ) ] \begin{aligned} log-softmax &=log[softmax(x_i)] \\ &= log(\frac{exp(x_i)}{\sum_j^nexp(x_j)}) \\ &=x_i - log[\sum_j^nexp(x_j)] \end{aligned} log−softmax=log[softmax(xi)]=log(∑jnexp(xj)exp(xi))=xi−log[j∑nexp(xj)]
令 y = l o g ∑ j n e x p ( x j ) y=log\sum_j^nexp(x_j) y=log∑jnexp(xj),当 x j x_j xj的取值过大时, y y y存在上溢出的风险,因此,采用与3.3中同样的Trick:
y = l o g ∑ j n e x p ( x j ) = l o g ∑ j n e x p ( x j − c ) e x p ( c ) = c + l o g ∑ j n e x p ( x j − c ) \begin{aligned} y &= log\sum_j^nexp(x_j) \\ & = log\sum_j^nexp(x_j-c)exp(c) \\ & = c +log\sum_j^nexp(x_j-c) \end{aligned} y=logj∑nexp(xj)=logj∑nexp(xj−c)exp(c)=c+logj∑nexp(xj−c)
当 c = m a x ( x ) c=max(\boldsymbol x) c=max(x)时,可避免上溢出。
此时, l o g − s o f t m a x log-softmax log−softmax的计算公式变为:(其实等价于直接对3.3节的Trick取对数)
l o g − s o f t m a x = ( x i − c ) − l o g ∑ j n e x p ( x j − c ) log-softmax = (x_i-c)-log\sum_j^nexp(x_j-c) log−softmax=(xi−c)−logj∑nexp(xj−c)
代码实现:
def log_softmax(X):
c, _ = torch.max(X, dim=1, keepdim=True)
return X - c - torch.log(torch.sum(torch.exp(X-c), dim=1, keepdim=True))
>>> X = torch.tensor([[-1000., 1000., -1000.]])
>>> torch.exp(log_softmax(X))
tensor([[0., 1., 0.]])
# pytorch API实现
>>> torch.exp(F.log_softmax(X, dim=1))
tensor([[0., 1., 0.]])
结合3.3节的Trick及我自己的理解:
>>> X = torch.tensor([[-1000., 1000., -1000.]])
>>> torch.exp(F.log_softmax(X, dim=1)) == F.softmax(X)
tensor([[True, True, True]])
BTTB你不知道的softmax ↩︎
The Log-Sum_Exp Trick ↩︎
log-softmax与softmax的区别 ↩︎
动手学深度学习:softmax回归 ↩︎