nn.KLDivLoss,nn.CrossEntropyLoss,nn.MSELoss,Focal_Loss

1. KL loss：https://blog.csdn.net/qq_50001789/article/details/128974654

https://pytorch.org/docs/stable/nn.html

1. nn.L1Loss

1.1 公式

L1Loss: 计算预测 x和 目标y之间的平均绝对值误差MAE, 即L1损失：
$$loss=\frac{1}{n}\sum _{i=1,...n}|x_i-y_i|$$

1.2 语法

torch.nn.L1Loss(size_average=None, reduce=None, reduction='mean')

• size_average与reduce已经被弃用，具体功能可由reduction替代
• reduction：指定损失输出的形式，有三种选择：none|mean|sum。none：损失不做任何处理，直接输出一个数组；mean：将得到的损失求平均值再输出，会输出一个数；sum：将得到的损失求和再输出，会输出一个数

注意：输入的x 与y 可以是任意维数的数组，但是二者形状必须一致

1.3 应用案例

对比reduction不同时，输出损失的差异

import torch.nn as nn
import torch

x = torch.rand(10, dtype=torch.float)
y = torch.rand(10, dtype=torch.float)
L1_none = nn.L1Loss(reduction='none')
L1_mean = nn.L1Loss(reduction='mean')
L1_sum = nn.L1Loss(reduction='sum')
out_none = L1_none(x, y)
out_mean = L1_mean(x, y)
out_sum = L1_sum(x, y)
print(x)
print(y)
print(out_none)
print(out_mean)
print(out_sum)

2.nn.MSELoss

2.1 公式

MSELoss也叫L2 loss, 即计算预测x和目标y的平方误差损失。MSELoss的计算公式如下:

$$loss=\frac{1}{n}\sum _{i=1,..n}(x_i-y_i{)}^2$$

注:输入x 与y 可以是任意维数的数组，但是二者shape大小一致

2.2 语法

torch.nn.MSELoss(reduction = 'mean')

其中：

• reduction：指定损失输出的形式，有三种选择：none|mean|sum。none：损失不做任何处理，直接输出一个数组；mean：将得到的损失求平均值再输出，会输出一个数；sum：将得到的损失求和再输出，会输出一个数

2.3 应用案例

对比reduction不同时，输出损失的差异

import torch.nn as nn
import torch

x = torch.rand(10, dtype=torch.float)
y = torch.rand(10, dtype=torch.float)
mse_none = nn.MSELoss(reduction='none')
mse_mean = nn.MSELoss(reduction='mean')
mse_sum = nn.MSELoss(reduction='sum')
out_none = mse_none(x, y)
out_mean = mse_mean(x, y)
out_sum = mse_sum(x, y)


print('x:',x)
print('y:',y)
print("out_none:",out_none)
print("out_mean:",out_mean)
print("out_sum:",out_sum)

3 nn.SmoothL1Loss

3.1 公式

SmoothL1Loss是结合L1 loss和L2 loss改进的，其数学定义如下：

如果绝对值误差低于$\beta$, 则使用$L2$损失，，否则使用绝对值损失$L1$, ，此损失对异常值的敏感性低于$L2$ ，即当$x$与$y$相差过大时，该损失数值要小于$L2$损失，在某些情况下该损失可以防止梯度爆炸。

3.2 语法

torch.nn.SmoothL1Loss( reduction='mean', beta=1.0)

• reduction：指定损失输出的形式，有三种选择：none|mean|sum。none：损失不做任何处理，直接输出一个数组；mean：将得到的损失求平均值再输出，会输出一个数；sum：将得到的损失求和再输出，会输出一个数
• beta：损失在$L1$和$L2$之间切换的阈值，默认beta=1.0

3.3 应用案例

import torch.nn as nn
import torch

# reduction设为none便于逐元素对比损失值
loss_none = nn.SmoothL1Loss(reduction='none')
loss_sum = nn.SmoothL1Loss(reduction='sum')
loss_mean = nn.SmoothL1Loss(reduction='mean')
x = torch.randn(10)
y = torch.randn(10)
out_none = loss_none(x, y)
out_sum = loss_sum(x, y)
out_mean = loss_mean(x, y)
print('x:',x)
print('y:',y)
print("out_none:",out_none)
print("out_mean:",out_mean)
print("out_sum:",out_sum)

4. nn.CrossEntropyLoss

nn.CrossEntropyLoss 在pytorch中主要用于多分类问题的损失计算。

4.1 交叉熵定义

交叉熵主要是用来判定实际的输出与期望的输出的接近程度，也就是交叉熵的值越小，两个概率分布就越接近。
假设概率分布p为期望输出(target)，概率分布q为实际输出(pred), $H(p,q)$为交叉熵， 则：

Pytorch中的CrossEntropyLoss()函数

Pytorch中计算的交叉熵并不是采用交叉熵定义的公式得到的,其中q为预测值，p为target值：

而是交叉熵的另外一种方式计算得到的：

Pytorch中CrossEntropyLoss()函数的主要是将log_softmax 和NLLLoss（最小化负对数似然函数）合并到一块得到的结果

CrossEntropyLoss()=log_softmax() + NLLLoss() 

• (1) 首先对预测值pred进行softmax计算：其中softmax函数又称为归一化指数函数，它可以把一个多维向量压缩在(0,1)之间，并且它们的和为1
  
• (2) 然后对softmax计算的结果，再取log对数。
• (3) 最后再利用NLLLoss() 计算CrossEntropyLoss， 其中NLLLoss() 的计算过程为：将经过log_softmax计算的结果与target 相乘并求和，然后取反。

其中(1),(2)实现的是log_softmax计算，(3)实现的是NLLLoss(), 经过以上3步计算，得到最终的交叉熵损失的计算结果。

4.2 语法

torch.nn.CrossEntropyLoss(weight=None,size_average=None,ignore_index=-100,reduce=None,reduction='mean',label_smoothing=0.0)

• 最常用的参数为 reduction(str, optional) ，可设置其值为 mean, sum, none ，默认为 mean。该参数主要影响多个样本输入时，损失的综合方法。mean表示损失为多个样本的平均值，sum表示损失的和，none表示不综合。
• weight: 可手动设置每个类别的权重，weight的数组大小和类别数需保持一致

4.3 应用案例

import torch.nn as nn
import torch
loss_func = nn.CrossEntropyLoss()
pre = torch.tensor([[0.8, 0.5, 0.2, 0.5]], dtype=torch.float)
tgt = torch.tensor([[1, 0, 0, 0]], dtype=torch.float)
print('----------------手动计算---------------------')
print("1.softmax")
print(torch.softmax(pre, dim=-1))
print("2.取对数")
print(torch.log(torch.softmax(pre, dim=-1)))
print("3.与真实值相乘")
print(-torch.sum(torch.mul(torch.log(torch.softmax(pre, dim=-1)), tgt), dim=-1))
print('-------------调用损失函数-----------------')
print(loss_func(pre, tgt))
print('----------------------------------------')

由此可见：

• ①交叉熵损失函数会自动对输入模型的预测值进行softmax。因此在多分类问题中，如果使用nn.CrossEntropyLoss()，则预测模型的输出层无需添加softmax层。

• ②nn.CrossEntropyLoss()=nn.LogSoftmax()+nn.NLLLoss().

nn.CrossEntropyLoss() 的target可以是one-hot格式，也可以直接输出类别，不需要进行one-hot处理，如下示例:

import torch
import torch.nn as nn
x_input=torch.randn(3,3)#随机生成输入 
print('x_input:\n',x_input) 
y_target=torch.tensor([1,2,0])#设置输出具体值 print('y_target\n',y_target)

#计算输入softmax，此时可以看到每一行加到一起结果都是1
softmax_func=nn.Softmax(dim=1)
soft_output=softmax_func(x_input)
print('soft_output:\n',soft_output)

#在softmax的基础上取log
log_output=torch.log(soft_output)
print('log_output:\n',log_output)

#对比softmax与log的结合与nn.LogSoftmaxloss(负对数似然损失)的输出结果，发现两者是一致的。
logsoftmax_func=nn.LogSoftmax(dim=1)
logsoftmax_output=logsoftmax_func(x_input)
print('logsoftmax_output:\n',logsoftmax_output)

#pytorch中关于NLLLoss的默认参数配置为：reducetion=True、size_average=True
nllloss_func=nn.NLLLoss()
nlloss_output=nllloss_func(logsoftmax_output,y_target)
print('nlloss_output:\n',nlloss_output)

#直接使用pytorch中的loss_func=nn.CrossEntropyLoss()看与经过NLLLoss的计算是不是一样
crossentropyloss=nn.CrossEntropyLoss()
crossentropyloss_output=crossentropyloss(x_input,y_target)
print('crossentropyloss_output:\n',crossentropyloss_output)

• 其中pred为x_input=torch.randn(3,3，对应的target为y_target=torch.tensor([1,2,0]), target并没有处理为one-hot格式，也可以正常计算结果的。

5. nn.BCELoss和nn.BCEWithLogitsLoss