Softmax函数交叉熵及其求导

本文介绍了Softmax函数在神经网络分类中的应用,详细讲解了Softmax函数的公式,并探讨了交叉熵代价函数。通过链式法则,文章详细展示了Softmax函数交叉熵损失的求导过程,解析了对每个神经元输出的梯度计算方法。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

  1. 简介

S o f t m a x Softmax Softmax 函数

S o f t m a x Softmax Softmax 函数在神经网络分类是十分常用的函数,如下所示,在神经元output layer中,可以输出一个 R 4 R^{4} R4 维度的向量,来进行分类,例如输出层为向量 O = [ 0.2 , 0.1 , 0.4 , 0.3 ] O=[ 0.2,0.1,0.4,0.3 ] O=[0.2,0.1,0.4,0.3], 可根据向量中元素大小(元素之和为1)来判断该输入(可以是图片,也可以是文字)属于哪一类,而在这种分类的情况中, S o f t m a x Softmax Softmax 函数就起到了十分重要的作用。

这里写图片描述

S o f t m a x Softmax Softmax 函数的公式为: a i = e z i ∑ j = 1 n e z j a_{i}=\frac{e^{z_{i}}}{\sum^{n}_{j=1}e^{z_{j}}} ai=j=1nezjezi

其中, a i a_{i} ai 为第 i i i 个神经元经过 S o f t m a x Softmax Softmax 函数得到的值, z i z_{i} zi 为第 i i i 个神经元的输出值,其计算公式为 $ z_{i}=W_{i}*x+ b $ $(W_{i}为权重矩阵W_{ij} 的第i行)。 $

代价函数交叉熵

为了计算损失函数,我们使用交叉熵代价函数,有 L o s s = − ∑ i n y i l o g a i Loss = -\sum^{n}_{i}y_{i}loga_{i} Loss=inyilogai

其中 y i y_{i} yi 代表第 a i a_{i} ai 个输出的真实值。

  1. Softmax函数交叉熵的求导

1)
对于Softmax函数的求导,用得最多的应该是链式法则,对于链式法则,举个例子如下:

设我们有函数 g ( f ( x ) ) g(f(x)) g(f(x)), 则 ∂ g ( f ( x ) ) ∂ x = ∂ g ( f ( x ) ) ∂ f ( x ) \frac{\partial{ g(f(x))}}{\partial{x}} = \frac{\partial{ g(f(x))}}{\partial{f(x)}} xg(f(x))=f(x)g(f(x)) ∂ f ( x ) ∂ x \frac{\partial{ f(x)}}{\partial{x}} xf(x), 这就是链式法则。

2)
对于交叉熵函数求导,首先,我们要求导的是交叉熵对神经元输出的梯度: ∂ L ∂ z i \frac{\partial{L}}{\partial{z_{i}}} ziL

根据链式法则,我们有: ∂ L ∂ z i = ∂ L ∂ a j \frac{\partial{L}}{\partial{z_{i}}} = \frac{\partial{L}}{\partial{a_{j}}} ziL=ajL ∂ a j ∂ z i \frac{\partial{a_{j}}}{\partial{z_{i}}} ziaj

其中, 使用 a j a_{j} aj 是因为对 S o f t m a x Softmax Softmax函数包含了所有神经网络输出的和,即 a i = e z i ∑ j = 1 n e z j a_{i} = \frac{e^{z_{i}}}{\sum^{n}_{j=1}e^{z_{j}}} ai=j=1nezje

交叉熵代价函数是在分类问题中常用的一种损失函数,它的定义如下: $$ J = -\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{C}y_j^{(i)} \log\left(\hat{y}_j^{(i)}\right) + (1-y_j^{(i)}) \log\left(1-\hat{y}_j^{(i)}\right) $$ 其中,$m$是样本数量,$C$是分类数,$y_j^{(i)}$是第$i$个样本的第$j$个类别的真实标签,$\hat{y}_j^{(i)}$是模型预测的第$j$个类别的概率。 对于交叉熵代价函数求导推导,我们需要分别对$\hat{y}_j^{(i)}$和$1-\hat{y}_j^{(i)}$求导。 首先,对$\hat{y}_j^{(i)}$求导,有: $$ \frac{\partial J}{\partial \hat{y}_j^{(i)}} = -\frac{1}{m}\left(\frac{y_j^{(i)}}{\hat{y}_j^{(i)}} - \frac{1-y_j^{(i)}}{1-\hat{y}_j^{(i)}}\right) $$ 接着,对$1-\hat{y}_j^{(i)}$求导,有: $$ \frac{\partial J}{\partial (1-\hat{y}_j^{(i)})} = -\frac{1}{m}\left(\frac{1-y_j^{(i)}}{1-\hat{y}_j^{(i)}} - \frac{y_j^{(i)}}{\hat{y}_j^{(i)}}\right) $$ 最终,将两个导数合并,可得到交叉熵代价函数对$\hat{y}_j^{(i)}$的导数: $$ \frac{\partial J}{\partial \hat{y}_j^{(i)}} = -\frac{1}{m}\left(\frac{y_j^{(i)}}{\hat{y}_j^{(i)}} - \frac{1-y_j^{(i)}}{1-\hat{y}_j^{(i)}}\right) $$ 除此之外,如果你使用的是softmax作为输出层,那么交叉熵损失函数的导数可以更简洁的表示为: $$ \frac{\partial J}{\partial \mathbf{z}}=\hat{\mathbf{y}}-\mathbf{y} $$ 其中,$\mathbf{z}$是softmax层的输入,$\mathbf{y}$是真实标签,$\hat{\mathbf{y}}$是模型预测的概率分布。
评论
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