Python机器学习pytorch交叉熵损失函数的深刻理解

说起交叉熵损失函数「cross entropy loss」，脑海中立马浮现出它的公式：

我们已经对这个交叉熵函数非常熟悉，大多数情况下都是直接拿来使用就好。但是它是怎么来的？为什么它能表征真实样本标签和预测概率之间的差值？上面的交叉熵函数是否有其它变种？

1.交叉熵损失函数的推导

我们知道，在二分类问题模型：例如逻辑回归「logistic regression」、神经网络「neural network」等，真实样本的标签为 [0，1]，分别表示负类和正类。模型的最后通常会经过一个 sigmoid 函数，输出一个概率值，这个概率值反映了预测为正类的可能性：概率越大，可能性越大。
sigmoid 函数的表达式和图形如下所示：

其中 s 是模型上一层的输出，sigmoid 函数有这样的特点：s = 0 时，g(s) = 0.5；s >> 0 时， g ≈ 1，s << 0 时，g ≈ 0。显然，g(s) 将前一级的线性输出映射到 [0，1] 之间的数值概率上。这里的 g(s) 就是交叉熵公式中的模型预测输出 。

我们说了，预测输出即 sigmoid 函数的输出表征了当前样本标签为 1 的概率：

很明显，当前样本标签为 0 的概率就可以表达成：

重点来了，如果我们从极大似然性的角度出发，把上面两种情况整合到一起：

不懂极大似然估计也没关系。我们可以这么来看：

当真实样本标签 y = 0 时，上面式子第一项就为 1，概率等式转化为：

当真实样本标签 y = 1 时，上面式子第二项就为 1，概率等式转化为：

两种情况下概率表达式跟之前的完全一致，只不过我们把两种情况整合在一起了。

重点看一下整合之后的概率表达式，我们希望的是概率 p(y|x) 越大越好。首先，我们对 p(y|x) 引入 log 函数，因为 log 运算并不会影响函数本身的单调性。则有：

我们希望 log p(y|x) 越大越好，反过来，只要 log p(y|x) 的负值 -log p(y|x) 越小就行了。那我们就可以引入损失函数，且令 loss = -log p(y|x)即可。则得到损失函数为：

非常简单，我们已经推导出了单个样本的损失函数，是如果是计算 n 个样本的总的损失函数，只要将 n 个 loss 叠加起来就可以了：

这样，我们已经完整地实现了交叉熵损失函数的推导过程。

2. 交叉熵损失函数的直观理解

我已经知道了交叉熵损失函数的推导过程。但是能不能从更直观的角度去理解这个表达式呢？而不是仅仅记住这个公式。好问题！接下来，我们从图形的角度，分析交叉熵函数，加深理解。

首先，还是写出单个样本的交叉熵损失函数：

我们知道，当 y = 1 时

这时候，l 与预测输出的关系如下图所示：

看了 l 的图形，简单明了！横坐标是预测输出，纵坐标是交叉熵损失函数 l。显然，预测输出越接近真实样本标签 1，损失函数 l 越小；预测输出越接近 0，l 越大。因此，函数的变化趋势完全符合实际需要的情况。

当 y = 0 时：

这时候，l 与预测输出的关系如下图所示：

同样，预测输出越接近真实样本标签 0，损失函数 l 越小；预测函数越接近 1，l 越大。函数的变化趋势也完全符合实际需要的情况。

从上面两种图，可以帮助我们对交叉熵损失函数有更直观的理解。无论真实样本标签 y 是 0 还是 1，l 都表征了预测输出与 y 的差距。

另外，重点提一点的是，从图形中我们可以发现：预测输出与 y 差得越多，l 的值越大，也就是说对当前模型的 “ 惩罚 ” 越大，而且是非线性增大，是一种类似指数增长的级别。这是由 log 函数本身的特性所决定的。这样的好处是模型会倾向于让预测输出更接近真实样本标签 y。

3. 交叉熵损失函数的其它形式

什么？交叉熵损失函数还有其它形式？没错！我刚才介绍的是一个典型的形式。接下来我将从另一个角度推导新的交叉熵损失函数。

这种形式下假设真实样本的标签为 +1 和 -1，分别表示正类和负类。有个已知的知识点是sigmoid 函数具有如下性质：

这个性质我们先放在这，待会有用。

好了，我们之前说了 y = +1 时，下列等式成立：

如果 y = -1 时，并引入 sigmoid 函数的性质，下列等式成立：

重点来了，因为 y 取值为 +1 或 -1，可以把 y 值带入，将上面两个式子整合到一起：

这个比较好理解，分别令 y = +1 和 y = -1 就能得到上面两个式子。

接下来，同样引入 log 函数，得到：

要让概率最大，反过来，只要其负数最小即可。那么就可以定义相应的损失函数为：

还记得 sigmoid 函数的表达式吧？将 g(ys) 带入：

好咯，l 就是我要推导的交叉熵损失函数。如果是 n 个样本，其交叉熵损失函数为：

接下来，我们从图形化直观角度来看。当 y = +1 时：

这时候，l 与上一层得分函数 s 的关系如下图所示：

 横坐标是 s，纵坐标是 l。显然，s 越接近正无穷，损失函数 l 越小；s 越接近负无穷，l 越大。

另一方面，当 y = -1 时：

这时候，l 与上一层得分函数 s 的关系如下图所示：

同样，s 越接近负无穷，损失函数 l 越小；s 越接近正无穷，l 越大。

4.总结

本文主要介绍了交叉熵损失函数的数学原理和推导过程，也从不同角度介绍了交叉熵损失函数的两种形式。第一种形式在实际应用中更加常见，例如神经网络等复杂模型；第二种多用于简单的逻辑回归模型。

需要注意的是：第一个公式中的变量是sigmoid输出的值，第二个公式中的变量是sigmoid输入的值。

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