sigmoid cross entorpy loss

本文解释了交叉熵误差的概念及其在神经网络训练中的作用,并通过实例展示了如何计算平均交叉熵误差。此外,还讨论了交叉熵在多标签学习中的应用。

1.Cross Entropy Error
The mathematics behind cross entropy (CE) error and its relationship to NN training are very complex, but, fortunately, the results are remarkably simple to understand and implement. CE is best explained by example. Suppose you have just three training items with the following computed outputs and target outputs:
figure1

InCE, A 4-7-3 NN(4input - 7hindden - 3output) is instantiated and then trained using the back-propagation algorithm in conjunction with cross entropy error. After training’s completed, the NN model correctly predicted the species of 29 of the 30 (0.9667) test items.

Using a winner-takes-all evaluation technique, the NN predicts the first two data items correctly because the positions of the largest computed outputs match the positions of the 1 values in the target outputs, but the NN is incorrect on the third data item. The mean (average) squared error for this data is the sum of the squared errors divided by three. The squared error for the first item is (0.1 - 0)^2 + (0.3 - 0)^2 + (0.6 - 1)^2 = 0.01 + 0.09 + 0.16 = 0.26. Similarly, the squared error for the second item is 0.04 + 0.16 + 0.04 = 0.24, and the squared error for the third item is 0.49 + 0.16 + 0.09 = 0.74. So the mean squared error is (0.26 + 0.24 + 0.74) / 3 = 0.41.

Notice that in some sense the NN predicted the first two items with identical accuracy, because for both those items the computed outputs that correspond to target outputs of 1 are 0.6. But observe the squared error for the first two items are different (0.24 and 0.26), because all three outputs contribute to the sum.

The mean (average) CE error for the three items is the sum of the CE errors divided by three. The fancy way to express CE error with a function is shown in Figure 2.
figure2

In words this means, “Add up the product of the log to the base e of each computed output times its corresponding target output, and then take the negative of that sum.” So for the three items above, the CE of the first item is - (ln(0.1)*0 + ln(0.3)*0 + ln(0.6)*1) = - (0 + 0 -0.51) = 0.51. The CE of the second item is - (ln(0.2)*0 + ln(0.6)*1 + ln(0.2)*0) = - (0 -0.51 + 0) = 0.51. The CE of the third item is - (ln(0.3)*1 + ln(0.4)*0 + ln(0.3)*0) = - (-1.2 + 0 + 0) = 1.20. So the mean cross entropy error for the three-item data set is (0.51 + 0.51 + 1.20) / 3 = 0.74.

Notice that when computing mean cross entropy error with neural networks in situations where target outputs consist of a single 1 with the remaining values equal to 0, all the terms in the sum except one (the term with a 1 target) will vanish because of the multiplication by the 0s. Put another way, cross entropy essentially ignores all computed outputs which don’t correspond to a 1 target output. The idea is that when computing error during training, you really don’t care how far off the outputs which are associated with non-1 targets are, you’re only concerned with how close the single computed output that corresponds to the target value of 1 is to that value of 1. So, for the three items above, the CEs for the first two items, which in a sense were predicted with equal accuracy, are both 0.51.

  • 联系NG在ML课程中LR回归所讲,可知,NG所说的LR回归loss其实就是sigmoid cross entorpy loss(注意上文Notice)。当然sigmoid cross entorpy loss不仅仅用在这样的问题中,还可以应用在多标签学习问题中(多标签学习概念)。
  • 多标签学习与传统的单标签学习的区别在于:
    Traditional single-label classification is concerned with learning from a set of examples that are associated with a single label l from a set of disjoint labels L, |L| > 1. In multi-label classification, the examples are associated with a set of labels Y in L. In the past, multi-label classification was mainly motivated by the tasks of text categorization and medical diagnosis. Nowadays, we notice that multilabel classification methods are increasingly required by modern applications, such as protein function classification, music categorization and semantic scene classification。

2. caffe里sigmoidCrossEntropyLoss层计算
参考自caffecn
这里写图片描述

<think>首先,用户的问题是关于nn.CrossEntropyLoss()和sigmoid_focal_loss()的对比、原理和使用场景。我需要基于提供的引用信息来构建回答。 回顾引用: - 引用[1]:讨论了损失函数的对比,包括CrossEntropyLoss、BCELossSigmoidFocalLoss。指出Focal Loss用于类别不平衡的多标签/单标签,自动抑制易样本,但超参数调节复杂。 - 引用[2]:说明Focal Loss是基于交叉熵演进的,添加了类别平衡系数α_t和调制因子(1-p_t)^γ。 - 引用[3]:提到Pytorch中的损失函数,包括CrossEntropyLoss、NLLLoss、BCELoss等,并指出BCEWithLogitsLoss相当于BCELosssigmoid- 引用[4]:解释了sigmoid_cross_entropy_with_logits,用于多标签分类,其中图片可以有多个标签。 - 引用[5]:描述了sigmoid_focal_loss的参数,如alpha和gamma。 用户的问题:对比nn.CrossEntropyLoss()和sigmoid_focal_loss()的原理、使用场景等。 关键点: 1. **原理对比**: - **CrossEntropyLoss**:用于单标签分类问题。它结合了Softmax和负对数似然损失。计算公式涉及将logits通过Softmax归一化到概率分布,然后计算真实标签的负对数似然。 - 引用[2]提到它是交叉熵损失,适用于均衡的单标签分类。 - **Sigmoid Focal Loss**:基于二元交叉熵,但添加了调制因子来处理类别不平衡和易分样本。具体来说,它引入了alpha(平衡正负样本)和gamma(聚焦于难分样本)。 - 引用[2]解释:Focal Loss = -alpha_t * (1 - p_t)^gamma * log(p_t),其中p_t是预测概率。 - 引用[5]给出参数:alpha=0.25, gamma=2.0。 2. **使用场景**: - **CrossEntropyLoss**:适用于多类单标签分类,即每个样本只有一个正确类别(引用[1])。 - **Sigmoid Focal Loss**:适用于类别不平衡的问题,尤其是多标签分类(每个样本可以有多个标签),因为它可以自动抑制易分样本(引用[1])。也适用于单标签但类别不平衡的情况。 3. **优缺点**: - **CrossEntropyLoss**: - 优点:梯度稳定,易于实现(引用[1])。 - 缺点:对类别不平衡敏感(引用[1])。 - **Sigmoid Focal Loss**: - 优点:处理类别不平衡,减少易分样本的影响(引用[1])。 - 缺点:超参数调节复杂(引用[1])。 4. **实现细节**: - 引用[3]和[4]讨论sigmoid相关损失:Sigmoid Focal Loss常用于多标签设置,其中每个类别的输出是独立的(使用sigmoid而不是softmax)。 - CrossEntropyLoss通常用于softmax输出。 5. **数学表达**: - 根据系统指令,行内数学表达式用$...$,独立公式用$$...$$。 - CrossEntropyLoss公式:对于单个样本,损失为 $-\log\left(\frac{\exp(z_y)}{\sum_j \exp(z_j)}\right)$,其中$z$是logits,$y$是真实标签。 - Focal Loss公式:从引用[2],$L_{FL} = - \alpha_t (1 - p_t)^\gamma \log(p_t)$,其中$p_t$是预测概率(sigmoid输出)。 结构化回答: - **简介**:概述两个损失函数。 - **原理对比**:解释各自的数学原理。 - **使用场景**:描述适用情况。 - **优缺点**:基于引用总结。 - **代码示例**(可选):如果可能,提供Pytorch或TensorFlow的代码片段。 - **总结**:建议何时使用哪个。 生成相关问题: - 基于系统指令,在末尾添加相关问题。 确保中文回答,并添加引用标识。 最终回答结构: 1. CrossEntropyLoss 介绍 2. Sigmoid Focal Loss 介绍 3. 对比 4. 使用场景 5. 相关问题 </think> ### nn.CrossEntropyLoss() 与 sigmoid_focal_loss() 的对比、原理与使用场景 在深度学习中,损失函数是模型训练的核心组件。针对您的问题,我将系统性地对比 `nn.CrossEntropyLoss()` 和 `sigmoid_focal_loss()`,涵盖原理、数学公式、优缺点、适用场景及实现细节。内容基于引用资料[^1][^2][^3][^4][^5]进行综合分析。 --- ### 1. **原理对比** #### **nn.CrossEntropyLoss()** - **原理**: 该损失函数用于**单标签分类**任务(即每个样本仅属于一个类别)。它结合了Softmax激活函数和负对数似然损失(NLLLoss)。 - 首先,通过Softmax将logits(未归一化的预测分数)转换为概率分布:$p_i = \frac{\exp(z_i)}{\sum_j \exp(z_j)}$,其中 $z_i$ 是第 $i$ 类的logit值。 - 然后,计算真实标签 $y$ 的负对数概率:$L = -\log(p_y)$。 公式总结为: $$ L_{\text{CE}} = -\log\left(\frac{\exp(z_y)}{\sum_j \exp(z_j)}\right) $$ 其中 $z_y$ 是真实类别对应的logit。 该损失优化模型输出概率以匹配真实标签分布,梯度计算稳定[^1]。 - **数学特性**: - 梯度平滑:对于错误预测,梯度较大;对于正确预测,梯度较小,便于模型收敛[^1]。 #### **sigmoid_focal_loss()** - **原理**: 该损失函数是二元交叉熵(Binary Cross Entropy, BCE)的改进版本,专门设计用于**类别不平衡**问题。它在BCE基础上添加了两个调制因子: - **类别平衡系数 $\alpha$**:平衡正负样本的权重(例如 $\alpha=0.25$ 表示更关注正样本)。 - **调制因子 $(1 - p_t)^\gamma$**:降低易分样本(预测概率接近真实标签的样本)的损失权重,聚焦于难分样本($\gamma$ 通常取2.0)。 公式为: $$ L_{\text{FL}} = -\alpha_t (1 - p_t)^\gamma \log(p_t) $$ 其中 $p_t$ 是预测概率(sigmoid输出),$\alpha_t$ 是类别权重(正样本为 $\alpha$,负样本为 $1-\alpha$)。 该损失通过抑制易分样本的贡献,缓解类别不平衡问题,提升模型对少数类的学习能力。 - **数学特性**: - 当 $\gamma=0$ 时,退化为标准BCE损失。 - 随着 $\gamma$ 增大,易分样本的损失权重指数级下降,难分样本的权重相对提升[^2]。 --- ### 2. **使用场景对比** | 特性 | nn.CrossEntropyLoss() | sigmoid_focal_loss() | |--------------------------|-------------------------------------------|-----------------------------------------------| | **核心适用任务** | 单标签分类(每个样本仅一个正确类别) | 多标签分类(样本可属多个类别)或单标签但类别不平衡 | | **数据分布** | 类别分布均衡(正负样本数量相近) | 类别不平衡(例如少数类样本稀少) | | **典型应用** | MNIST手写数字识别、ImageNet分类 | 目标检测(如Faster R-CNN)、医学图像分析(病灶检测) | | **激活函数配合** | 需配合Softmax使用 | 需配合Sigmoid使用(每个类别独立预测) | | **输出结构** | 输出维度等于类别数,总和为1 | 输出维度等于类别数,每个元素独立为概率 | - **详细解释**: - `CrossEntropyLoss` 适用于标准分类任务,如识别一张图片中的单一物体类别[^1][^4]。 - `sigmoid_focal_loss` 针对多标签场景(如一张图片同时包含“狗”和“猫”)或类别高度不平衡的任务(如欺诈检测,其中正样本极少)。其调制因子自动减少易分样本(如背景区域)的梯度干扰,提升难分样本(如小目标)的召回率[^5]。 --- ### 3. **优缺点对比** | 指标 | nn.CrossEntropyLoss() | sigmoid_focal_loss() | |------------|--------------------------------------------|-----------------------------------------------| | **优点** | - 梯度稳定,收敛速度快<br>- 实现简单,无需额外超参数 | - 有效处理类别不平衡<br>- 抑制易分样本,提升难分样本学习效果 | | **缺点** | - 对类别不平衡敏感(少数类易被忽略)<br>- 不适用于多标签任务 | - 超参数调节复杂($\alpha$ 和 $\gamma$ 需调优)<br>- 计算开销略高 | | **训练影响** | 在均衡数据上表现优异,但少数类准确率可能偏低 | 在类别不平衡数据上显著提升召回率,但可能增加训练难度 | - 例如,在引用[1]中,`CrossEntropyLoss` 在类别不平衡时表现不佳,而 `Focal Loss` 通过 $\alpha$ 和 $\gamma$ 缓解了这一问题。 --- ### 4. **实现示例(PyTorch)** #### **nn.CrossEntropyLoss()** ```python import torch import torch.nn as nn # 单标签分类示例 logits = torch.randn(4, 10) # 4个样本,10个类别 labels = torch.tensor([3, 7, 1, 0]) # 每个样本的真实标签(单整数) loss_fn = nn.CrossEntropyLoss() loss = loss_fn(logits, labels) print(loss) ``` #### **sigmoid_focal_loss()** PyTorch原生未内置Focal Loss,需自定义或使用库(如`torchvision.ops`): ```python import torch from torchvision.ops import sigmoid_focal_loss # 多标签分类示例:4个样本,3个类别(每个样本可属多个类) logits = torch.randn(4, 3) # logits输出 labels = torch.tensor([[1, 0, 1], [0, 1, 0], [1, 1, 0], [0, 0, 1]], dtype=torch.float) # 多标签 loss = sigmoid_focal_loss(logits, labels, alpha=0.25, gamma=2.0, reduction="mean") print(loss) ``` - **参数说明**: - `alpha=0.25`:平衡正负样本(默认值)。 - `gamma=2.0`:调制因子指数(默认值),增大会更关注难样本。 如引用[5]所述,$\alpha$ 和 $\gamma$ 需根据任务调整[^5]。 --- ### 总结建议 - **使用 `nn.CrossEntropyLoss()` 当**:任务为单标签分类,且数据分布均衡(如CIFAR-10)。 - **使用 `sigmoid_focal_loss()` 当**:任务涉及多标签或类别不平衡(如目标检测中的小物体识别)。 在类别不平衡场景,`Focal Loss` 能显著提升模型鲁棒性,但需仔细调参以避免过拟合[^2]。
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