【深度学习_TensorFlow】误差函数

写在前面

搭建完网络层后，在每层网络中都要进行前向计算，下一步就是选择合适的误差函数来计算误差。其中均方差函数和交叉熵函数在深度学习中比较常见，均方差函数主要用于回归问题，交叉熵函数主要用于分类问题。

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写在中间

均方差函数

（ 1 ）简单介绍

均方差函数(简称 MSE)把输出向量和真实向量映射到笛卡尔坐标系的两个点上，通过计算这两个点之间的欧式距离(准确地说是欧式距离的平方)来衡量两个向量之间的差距：

$\mathrm{MSE}(\mathbf{y},\mathbf{o})\triangleq \frac{1}{d_{\mathrm{out}}}{\sum }_{i=1}^{d_{\mathrm{out}}}(y_i-o_i{)}^2$

MSE 误差函数的值总是大于等于 0，值越小，越接近真实值。

当 MSE 函数达到最小值 0 时，输出值等于真实标签，此时神经网络的参数达到最优状态。

（ 2 ）函数实现

# 均方差函数的实现有多种
import tensorflow as tf

# 方法一：
tf.reduce_mean(tf.square(y_true - y_pred))

# 方法二：
tf.keras.losses.MSE(y_true, y_pred)

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交叉熵函数

介绍交叉熵函数之前，我们先了解 熵 和 KL散度 这两个概念

熵

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熵用来衡量信息的不确定度，熵越大，代表不确定性越大。

公式如下：

$H(P)\triangleq -{\sum }_{i}P(i){\log }_{2}P(i)$

熵的计算

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熵怎样计算？对于分类问题：

• 如果某个样本的标签的 One-hot 编码为[0, 0, 0, 1]，即这张图片的分类是唯一确定的，不确定性为 0。它属于第 4 类的概率(为 4|) = 1，此标签的熵可以简单的计算为：

$-0\cdot {\log }_{2}0-0\cdot {\log }_{2}0-0\cdot {\log }_{2}0-1\cdot {\log }_{2}1=0$

• 如果某个样本的标签的 One-hot 编码为[0.1, 0.1, 0.1, 0.7]，即这张图片的分类属于第四类的概率较大，此标签的熵就可以计算为：

$-0.1\cdot {\log }_{2}0.1-0.1\cdot {\log }_{2}0.1-0.1\cdot {\log }_{2}0.1-0.7\cdot {\log }_{2}0.7\approx 1.356$

很明显，第二个结果的熵比第一个熵大，不确定度也大得多，因此最小化熵的过程也是最大化正确类别的预测概率的过程。从这个角度去理解交叉熵损失函数，非常地直观易懂。

KL散度

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如果我们对于同一个随机变量 i 有两个单独的概率分布 p(i) 和 q(i)，我们可以使用 KL 散度来衡量这两个分布的差异：

在深度学习中，我们通常把真实的标签分布（通常是 one-hot 编码）视为 p，把模型预测的概率分布视为 q。

KL散度的计算公式为

$D_{KL}(p||q)={\sum }_{i}p(i)\log \left(\frac{p(i)}{q(i)}\right)$

我们仍然使用上面的例子，标签的one-hot编码为[0, 0, 0, 1]，预测值为[0.1, 0.1, 0.1, 0.7]，KL散度计算结果为：

KL = 0 * log(0/0.1) + 0 * log(0/0.1) + 0 * log(0/0.1) + 1 * log(1/0.7)
= -log(0.7)
≈ 0.357

交叉熵

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终于要介绍交叉熵了，你一定会猜到讲上面的知识会和交叉熵有关，对你猜的没错！

交叉熵损失函数的计算公式为：

$H(p||q)=H(p)+D_{KL}(p||q)$

其实就是熵和KL散度的加和，稍加变形就得到：

$H(p||q)\triangleq -{\sum }_{i}p(i){\log }_{2}q(i)$

交叉熵函数的实现

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import tensorflow as tf

# 假设 y_true 是真实的标签，y_pred 是模型的预测值
y_true = [[0, 0, 0, 1], [0, 1, 0, 0]]
y_pred = [[0.1, 0.1, 0.1, 0.7], [0.1, 0.6, 0.1, 0.2]]

loss = tf.keras.losses.categorical_crossentropy(y_true, y_pred)

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写在最后

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