(转)交叉熵损失函数的推导过程与直观理解

本文深入探讨了交叉熵损失函数的推导过程及其直观理解,适用于逻辑回归和神经网络等二分类问题。通过详细的数学推导,解释了该函数如何衡量真实标签与预测概率之间的差距。
部署运行你感兴趣的模型镜像

【时间】2019.01.09

【题目】(转)交叉熵损失函数的推导过程与直观理解

【转载链接】简单的交叉熵损失函数,你真的懂了吗?

一、交叉熵损失函数的推导过程

     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?也许很多朋友还不是很清楚!没关系,接下来我将尽可能以最通俗的语言回答上面这几个问题。

【推导过程】
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:


二、交叉熵损失的直观理解

您可能感兴趣的与本文相关的镜像

Linly-Talker

Linly-Talker

AI应用

Linly-Talker是一款创新的数字人对话系统,它融合了最新的人工智能技术,包括大型语言模型(LLM)、自动语音识别(ASR)、文本到语音转换(TTS)和语音克隆技术

<think> 首先,用户的问题是:“我想了解二分类交叉熵损失函数的相关信息 请问二分类交叉熵损失函数介绍”。这涉及到二分类交叉熵损失函数(Binary Cross-Entropy Loss)。 系统级指令要求: - 所有行内数学表达式必须使用 `$...$` 格式。 - 独立公式必须使用 `$$...$$` 格式并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如: `[^1]`。 用户提供了几个引用: - [^1] 讨论了二分类交叉熵函数的推导,从极大似然估计到损失函数换。 - [^2] 涉及PyTorch中的二分类和多分类交叉熵损失函数的实现。 - [^3] 强调可视化解释二分类交叉熵。 - [^4] 举例说明损失函数如何惩罚错误预测。 - [^5] 提到PyTorch中的BCEWithLogitsLoss,更数值稳定。 用户的上一次问题或我的回答没有提供,所以我需要基于当前的问题和引用来构建回答。 回答结构: - 结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 - 保证内容真实可靠。 大纲回答: 1. **介绍二分类交叉熵损失函数**:定义和用途。 2. **数学推导**:从极大似然估计推导损失函数。 3. **公式表达式**:使用独立公式展示。 4. **解释含义**:如何工作,为什么有效。 5. **实际应用**:在机器学习中的角色,参考引用中的例子。 6. **实现方面**:在PyTorch中的使用,如引用[^2]和[^5]所述。 7. **生成相关问题**:在回答末尾添加相关问题。 数学部分: - 二分类交叉熵损失函数的公式:对于真实标签 y(0或1)和预测概率 p,损失是:$ -\frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} [y_i \log(p_i) + (1 - y_i) \log(1 - p_i)] $。 - 推导:基于极大似然估计,最大化似然等价于最小化负对数似然。 参考引用: - 在解释时,自然地添加引用标识。例如,当讨论极大似然推导时,引用[^1];当讨论PyTorch实现时,引用[^2]或[^5];当解释惩罚机制时,引用[^4]。 生成相关问题: - 结尾添加“相关问题”部分。 完整回答结构: 1. 开头段落介绍二分类交叉熵损失函数。 2. 数学公式推导部分,使用独立公式。 3. 解释函数的工作原理。 4. 实际应用和实现。 5. 结尾生成相关问题。 使用中文回答。 </think> ### 二分类交叉熵损失函数介绍 二分类交叉熵损失函数(Binary Cross-Entropy Loss)是机器学习中用于二分类任务的常见损失函数。它通过衡量模型预测概率真实标签之间的差异,来优化模型参数,适用于输出为二元结果(如“是/否”或“1/0”)的场景。下面,我将从数学推导、函数定义、工作原理到实际应用逐步解释,确保内容准确可靠。 #### 1. **数学推导定义** 二分类交叉熵损失函数源自极大似然估计(MLE)。在二分类问题中,假设真实标签 $y_i$ 取值为 0 或 1(例如,0 表示负类,1 表示正类),模型预测的概率为 $p_i$(即预测样本为正类的概率)。目标是最大化似然函数 $P$,即所有样本预测正确的联合概率。似然函数可表示为: $$ P = \prod_{i=1}^{N} p_i^{y_i} (1 - p_i)^{1 - y_i} $$ 其中,$N$ 是样本数量。为了方便优化,我们取对数似然 $\ln P$: $$ \ln P = \sum_{i=1}^{N} [y_i \ln p_i + (1 - y_i) \ln (1 - p_i)] $$ 由于优化算法通常最小化损失函数,我们对 $\ln P$ 取负值,将其换为最小化问题。因此,损失函数 $L$ 定义为: $$ L = -\frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} [y_i \log p_i + (1 - y_i) \log (1 - p_i)] $$ 这里,$p_i$ 是模型输出的概率(通过 Sigmoid 函数映射到 [0,1] 区间),$y_i$ 是真实标签。损失值越小,表示模型预测越接近真实标签[^1]。 #### 2. **工作原理直观解释** 二分类交叉熵损失函数的工作原理是惩罚预测错误的情况: - **当预测接近真实标签时,损失值小**:例如,如果 $y_i = 1$ 且 $p_i \approx 1$(模型正确预测正类),则 $y_i \log p_i$ 接近 0(因为 $\log 1 = 0$),损失贡献小。 - **当预测远离真实标签时,损失值大**:例如,如果 $y_i = 0$ 但 $p_i \approx 1$(模型错误预测正类),则 $(1 - y_i) \log (1 - p_i)$ 变为 $\log(1 - p_i)$,当 $p_i \to 1$ 时,$\log(1 - p_i) \to -\infty$,损失值大幅增加。 这个过程可视化为对数损失的函数:当模型预测概率标签不符时,损失曲线迅速上升,从而“推动”模型在训练中更新权重以减少错误。例如,在垃圾邮件分类中,如果真实标签是非垃圾邮件($y_i = 0$),但模型预测概率高($p_i \approx 1$),交叉熵损失会显著增大,迫使模型调整参数[^3][^4]。 #### 3. **实际应用实现** 在机器学习实践中,二分类交叉熵损失函数广泛用于神经网络的输出层(配合 Sigmoid 激活函数)。PyTorch 等框架提供了高效实现: - **PyTorch 中的 `BCELoss`**:直接使用预测概率 $p_i$ 和真实标签 $y_i$。 - **PyTorch 中的 `BCEWithLogitsLoss`**:整合了 Sigmoid 层和 BCELoss,数值更稳定(避免 log 函数在边界值处的数值溢出问题),推荐使用以提升训练鲁棒性[^5]。 例如,在 PyTorch 中调用代码示例: ```python import torch.nn as nn # 使用 BCEWithLogitsLoss(更稳定) loss_fn = nn.BCEWithLogitsLoss() # 输入 logits(未激活的预测),真实标签 y loss = loss_fn(logits, y) ``` 损失函数在训练中的作用是:通过梯度下降优化权重 $w$,使损失最小化。其优点包括对错误预测的敏感惩罚(适合不平衡数据集)和良好的数值特性[^2][^5]。 总之,二分类交叉熵损失函数是二分类任务的核心工具,它从概率理论上推导而来,在实际中引导模型学习正确预测。如果您有具体场景(如数据不平衡或优化技巧),欢迎进一步提问!
评论 2
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值