交叉熵损失函数基本概念及公式

交叉熵损失函数（Cross-Entropy Loss）是在机器学习和深度学习中常用的一种损失函数，主要用于衡量模型输出与真实标签之间的差异，特别适用于分类任务，尤其是多类别分类问题。

1.二分类

交叉熵损失函数的数学公式可以有多种表示形式。对于二分类问题，其公式可以表示为：

L = - [ y * log§ + (1 - y) * log(1 - p) ]

其中，y 表示真实标签，取值为 0 或 1；p 表示模型预测为正类的概率。当 y = 1 时，损失函数只关注 log§，即模型预测为正类的概率；当 y = 0 时，损失函数只关注 log(1 - p)，即模型预测为负类的概率。

2. 对于多类别分类问题，其公式可以表示为：

L = - Σ (y_i * log(p_i))

其中，y_i 表示真实标签中第 i 类的取值，取值为 0 或 1；p_i 表示模型预测第 i 类的概率。Σ 表示对所有类别进行求和。

在这些公式中，log 表示自然对数，p 和 q 分别表示实际分布概率和模型预测分布概率，n 表示样本数量。交叉熵损失函数的值越小，表示模型预测与真实标签之间的差异越小，即模型的性能越好。

3. 公式深度挖掘解释——交叉熵损失函数公式中（log）的解释

1. 概率解释：在机器学习和深度学习中，模型的输出通常被解释为概率分布。对数函数可以将概率值映射到实数域，使得我们可以使用实数域上的数学工具来处理概率问题。
2. 数学性质：对数函数具有一些有用的数学性质，例如单调性和可导性。这使得我们可以方便地优化交叉熵损失函数，例如使用梯度下降等优化算法。
3. 处理极端预测值：当模型预测的概率值接近0或1时，对数函数可以防止损失函数变得过大，从而提高模型的鲁棒性。

没有对数函数（log）的交叉熵损失函数在某些情况下也是可行的，但这会导致损失函数的性质发生变化。例如，去掉对数函数后，损失函数将不再是概率分布的函数，而是概率本身的函数。这可能会导致一些数学上的不便，例如在优化过程中可能会出现一些问题。

总结

对于二分类问题，模型的输出通常是一个标量，表示样本属于正类的概率。因此，在二分类的交叉熵损失函数中，我们只需要考虑一个概率值，即模型预测为正类的概率。具体来说，当真实标签为1时，我们关注模型预测为正类的概率；当真实标签为0时，我们关注模型预测为负类的概率。因此，二分类的交叉熵损失函数可以表示为：

L = - [ y * log§ + (1 - y) * log(1 - p) ]

其中，y 表示真实标签，取值为 0 或 1；p 表示模型预测为正类的概率。

而对于多分类问题，模型的输出通常是一个向量，表示样本属于各个类别的概率。因此，在多分类的交叉熵损失函数中，我们需要考虑所有类别的概率。具体来说，对于每个样本，我们计算其真实标签对应的概率的负对数，然后将所有类别的损失求和。因此，多分类的交叉熵损失函数可以表示为：

L = - Σ (y_i * log(p_i))

其中，y_i 表示真实标签中第 i 类的取值，取值为 0 或 1；p_i 表示模型预测第 i 类的概率。Σ 表示对所有类别进行求和。