Tensorflow入门(五)——损失函数

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本文在原文基础上进行细微的修改和完善。

文章目录

    • 1. 什么是损失函数
    • 2. 怎样使用损失函数
      • 2.1 回归模型的损失函数
      • 2.2 分类模型的损失函数
      • 2.3 总结

1. 什么是损失函数

损失函数(loss function)是机器学习中非常重要的内容,它是度量模型输出值与目标值的差异,也就是作为评估模型效果的一种重要指标,损失函数越小,表明模型的鲁棒性就越好。

2. 怎样使用损失函数

在TensorFlow中训练模型时,通过损失函数告诉TensorFlow预测结果相比目标结果是好还是坏。在多种情况下,我们会给出模型训练的样本数据和目标数据,损失函数即是比较预测值与给定的目标值之间的差异。

下面将介绍在TensorFlow中常用的损失函数。

2.1 回归模型的损失函数

首先讲解回归模型的损失函数,回归模型是预测连续因变量的。

为方便介绍,先定义预测结果(-1至1的等差序列)、目标结果(目标值为0),代码如下:

import tensorflow as tf

sess = tf.Session()

y_pred = tf.linspace(-1., 1., 100)

y_target = tf.constant(0.)

注意:在实际训练模型时,预测结果是模型输出的结果值,目标结果是样本提供的。

(1)L1正则损失函数(即绝对值损失函数)

L1正则损失函数是对预测值与目标值的差值求绝对值,公式如下:
L ( Y , f ( X ) ) = ∣ Y − f ( X ) ∣ L(Y, f(X))=|Y-f(X)| L(Y,f(X))=Yf(X)
在TensorFlow中调用方式如下:

loss_l1_vals = tf.abs(y_pred - y_target)

loss_l1_out = sess.run(loss_l1_vals)

L1正则损失函数在目标值附近不平滑,会导致模型不能很好地收敛。

(2)L2正则损失函数(即欧拉损失函数)

L2正则损失函数是预测值与目标值差值的平方和,公式如下:
L ( Y , f ( X ) ) = ∑ i = 1 n ( Y − f ( X ) ) 2 L(Y, f(X))=\sum_{i=1}^{n}(Y-f(X))^2 L(Y,f(X))=i=1n(Yf(X))2
当对L2取平均值,就变成均方误差(MSE, mean squared error),公式如下:
M S E ( y , y ′ ) = ∑ i = 1 n ( y i − y i ′ ) 2 n MSE(y, y')=\frac{\sum_{i=1}^{n}(y_i-y_i')^2}{n} MSE(y,y)=ni=1n(yiyi)2
在TensorFlow中调用方式如下:

# L2损失
loss_l2_vals = tf.square(y_pred - y_target)

loss_l2_out = sess.run(loss_l2_vals)

# 均方误差
loss_mse_vals = tf.reduce.mean(tf.square(y_pred - y_target))

loss_mse_out = sess.run(loss_mse_vals)

L2正则损失函数在目标值附近有很好的曲度,离目标越近收敛越慢,是非常有用的损失函数。

L1、L2正则损失函数如下图所示:

Tensorflow入门(五)——损失函数_第1张图片

(3)Pseudo-Huber 损失函数

Huber损失函数经常用于回归问题,它是分段函数,公式如下:
L δ ( y , f ( x ) ) = { 1 2 ( y − f ( x ) ) 2 f o r ∣ y − f ( x ) ∣ ≤ δ , δ ∣ y − f ( x ) ∣ − 1 2 δ 2 o t h e r w i s e . L_\delta(y,f(x))=\begin{cases} \frac{1}{2}(y-f(x))^2 & for|y-f(x)|\le\delta,\\ \delta|y-f(x)|-\frac{1}{2}\delta^2 & otherwise. \end{cases} Lδ(y,f(x))={21(yf(x))2δyf(x)21δ2foryf(x)δ,otherwise.
从这个公式可以看出:

当残差(预测值与目标值的差值,即y-f(x) )很小的时候,损失函数为L2范数;残差大的时候,为L1范数的线性函数。

Peseudo-Huber损失函数是Huber损失函数的连续、平滑估计,在目标附近连续,公式如下:
L δ ( a ) = δ 2 ( 1 + ( a / δ ) 2 − 1 ) L_\delta(a)=\delta^2(\sqrt{1+(a/\delta)^2}-1) Lδ(a)=δ2(1+(a/δ)2 1)
该公式依赖于参数delta,delta越大,则两边的线性部分越陡峭。

在TensorFlow中的调用方式如下:

delta = tf.constant(0.25)

loss_huber_vals = tf.mul(tf.square(delta), tf.sqrt(1. + tf.square(y_target - y_pred) / delta) - 1.)

loss_huber_out = sess.run(loss_huber_vals)

L1、L2、Huber损失函数的对比图如下,其中Huber的delta取0.25、5两个值:
Tensorflow入门(五)——损失函数_第2张图片

2.2 分类模型的损失函数

分类损失函数主要用于评估预测分类结果,重新定义预测值(-3至5的等差序列)和目标值(目标值为1),如下:

y_pred = tf.linspace(-3., 5., 100)

y_target = tf.constant(1.)

y_targets = tf.fill([100, ], 1.)

(1)Hinge损失函数

Hinge损失常用于二分类问题,主要用来评估向量机算法,但有时也用来评估神经网络算法,公式如下:
l ( y ) = max ⁡ ( 0 , 1 − t ⋅ y ) l(y)=\max(0,1-t\cdot y) l(y)=max(0,1ty)
在TensorFlow中的调用方式如下:

loss_hinge_vals = tf.maximum(0., 1. - tf.mul(y_target, y_pred))

loss_hinge_out = sess.run(loss_hinge_vals)

上面的代码中,目标值为1,当预测值离1越近,则损失函数越小,如下图:

Tensorflow入门(五)——损失函数_第3张图片

(2)两类交叉熵(Cross-entropy)损失函数

交叉熵来自于信息论,是分类问题中使用广泛的损失函数。交叉熵刻画了两个概率分布之间的距离,当两个概率分布越接近时,它们的交叉熵也就越小,给定两个概率分布p和q,则距离如下:
H ( p , q ) = − ∑ x p ( x ) log ⁡ q ( x ) H(p,q)=-\sum_xp(x)\log q(x) H(p,q)=xp(x)logq(x)
对于两类问题,当一个概率p=y,则另一个概率q=1-y,因此代入化简后的公式如下:
H ( p , q ) = − ∑ i p i log ⁡ q i = − y log ⁡ y ^ − ( 1 − y ) log ⁡ ( 1 − y ^ ) H(p,q)=-\sum_ip_i \log q_i =-y\log \hat{y}-(1-y)\log(1-\hat{y}) H(p,q)=ipilogqi=ylogy^(1y)log(1y^)
在TensorFlow中的调用方式如下:

loss_ce_vals = tf.mul(y_target, tf.log(y_pred)) - tf.mul((1. - y_target), tf.log(1. - y_pred))

loss_ce_out = sess.run(loss_ce_vals)

Cross-entropy损失函数主要应用在二分类问题上,预测值为概率值,取值范围为[0,1],损失函数图如下:

Tensorflow入门(五)——损失函数_第4张图片

(3)Sigmoid交叉熵损失函数

与上面的两类交叉熵类似,只是将预测值y_pred值通过sigmoid函数进行转换,再计算交叉熵损失。在TensorFlow中有内置了该函数,调用方式如下:

loss_sce_vals = tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(y_pred, y_targets)

loss_sce_out = sess.run(loss_sce_vals)

由于sigmoid函数会将输入值变小很多,从而平滑了预测值,使得sigmoid交叉熵在预测值离目标值比较远时,其损失的增长没有那么的陡峭。与两类交叉熵的比较图如下:

Tensorflow入门(五)——损失函数_第5张图片

(4)加权交叉熵损失函数

加权交叉熵损失函数是Sigmoid交叉熵损失函数的加权,是对正目标的加权。假定权重为0.5,在TensorFlow中的调用方式如下:

weight = tf.constant(0.5)

loss_wce_vals = tf.nn.weighted_cross_entropy_with_logits(y_pred, y_targets, weight)

loss_wce_out = sess.run(loss_wce_vals)

(5)Softmax交叉熵损失函数

Softmax交叉熵损失函数是作用于非归一化的输出结果,只针对单个目标分类计算损失。

通过softmax函数将输出结果转化成概率分布,从而便于输入到交叉熵里面进行计算(交叉熵要求输入为概率),softmax定义如下:
σ ( z ) j = e z j ∑ k = 1 K e z k f o r j = 1 , . . . , K \sigma(z)_j=\frac{e^{z_j}}{\sum_{k=1}^{K}e^{z_k}} \quad\text for \quad j=1,...,K σ(z)j=k=1Kezkezjforj=1,...,K
结合前面的交叉熵定义公式,则Softmax交叉熵损失函数公式如下:
L i = − log ⁡ ( e f y i ∑ j e f j ) or equivalently L i = − f y i + log ⁡ ∑ j e f j L_i=-\log(\frac{e^{f_{y_i}}}{\sum_je^{f_j}}) \quad \text{or equivalently} \quad L_i=-f_{y_i}+\log \sum_je^{f_j} Li=log(jefjefyi)or equivalentlyLi=fyi+logjefj
在TensorFlow中调用方式如下:

y_pred = tf.constant([[1., -3., 10.]])

y_target = tf.constant([[0.1, 0.02, 0.88]])

loss_sce_vals = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(y_pred, y_target)

loss_sce_out = sess.run(loss_sce_vals)

用于回归相关的损失函数,对比图如下:

Tensorflow入门(五)——损失函数_第6张图片

2.3 总结

下面对各种损失函数进行一个总结,如下表所示:

损失函数 使用类型 优点 缺点
L1 回归 更健壮 缺少稳定
L2 回归 更稳定 缺少健壮
Psuedo-Huber 回归 更健壮、稳定 参数多
Hinge 分类 常用于SVM的最大距离 异常值导致无边界损失
Cross-entropy 分类 更稳定 缺少健壮、出现无边界损失

在实际使用中,对于回归问题经常会使用MSE均方误差(L2取平均)计算损失,对于分类问题经常会使用Sigmoid交叉熵损失函数。

大家在使用时,还要根据实际的场景、具体的模型,选择使用的损失函数。

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