softmax的实现

本文介绍了softmax函数在深度学习中的基本思想和实现过程,包括如何进行指数运算、求和以及归一化,同时讲解了模型定义、损失函数、分类精度计算以及训练过程。在简洁实现部分,讨论了模型参数初始化、损失函数的选择和优化算法的应用。

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一  基本思想

softmax是为了实现分类问题而提出,设在某一问题中,样本有x个特征,分类的结果有y类,

此时需要x*y个w,对于样本,需要计算其类别的可能性,进行y次线性运算。对于运算的结果再进行softmax运算。

二 实现

1.导入模块

import torch
from IPython import display
from d2l import torch as d2l

batch_size = 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size)

2.初始化参数

num_inputs = 784
num_outputs = 10

W = torch.normal(0, 0.01, size=(num_inputs, num_outputs), requires_grad=True)
b = torch.zeros(num_outputs, requires_grad=True)

w中的元素是随机的784*10个元素。b初始为0.

3.定义softmax操作

X = torch.tensor([[1.0, 2.0, 3.0], [4.0, 5.0, 6.0]])
X.sum(0, keepdim=True), X.sum(1, keepdim=True)

两个函数分别表示对行和列求和。

def softmax(X):
    X_exp = torch.exp(X)
    partition = X_exp.sum(1, keepdim=True)
    return X_exp / partition  # 这里应用了广播机制

先输入张量X进行指数运算,得到一个新的张量。

然后计算X_exp张量在列上的总和,表示每一个样本的指数之和。

最后相除,得到Softmax运算结果,显然结果与X的大小相同。

4.定义模型

def net(X):
    return softmax(torch.matmul(X.reshape((-1, W.shape[0])), W) + b)

首先对输入的x进行形状变化,然后将其与w进行矩阵乘法运算加上偏置值后进行softmax运算。

5.定义损失函数

def cross_entropy(y_hat, y):
    return - torch.log(y_hat[range(len(y_hat)), y])

cross_entropy(y_hat, y)

计算预测值与实际值的差异。

6.分类精度

def accuracy(y_hat, y):  #@
### Softmax函数的实现 Softmax函数是一种常用的激活函数,在深度学习领域主要用于多分类问题中的概率分布转换。其核心思想是对输入向量进行指数变换并归一化,使得输出值落在0到1之间且总和为1。 #### Python实现Softmax函数 以下是基于Python语言使用NumPy库实现Softmax函数的方法: ```python import numpy as np def softmax(x): """ 计算Softmax函数的输出。 参数: x (numpy.ndarray): 输入数组 返回: numpy.ndarray: 转换后的Softmax结果 """ exp_x = np.exp(x - np.max(x)) # 减去最大值以防止数值溢出[^2] sum_exp_x = np.sum(exp_x, axis=-1, keepdims=True) # 对每行求和 y = exp_x / sum_exp_x # 归一化处理 return y ``` 上述代码中,`np.exp(x)` 进行了逐元素的指数运算,而 `np.sum()` 则实现了对每一行数据的加权求和操作。为了提高数值稳定性,通常会减去输入张量的最大值后再执行指数运算。 #### 数学原理说明 Softmax函数的核心公式如下所示: \[ y_i = \frac{e^{z_i}}{\sum_{j=1}^{N}{e^{z_j}}} \] 其中 \( z_i \) 表示输入向量中的第i个元素,\( N \) 是输入向量的长度。该公式的目的是将任意实数范围内的输入映射至(0,1),从而形成有效的概率分布[^1]。 #### 实现细节分析 在实际应用过程中需要注意以下几点: - **数值稳定性的优化**:为了避免因大数值引起的浮点溢出问题,建议预先从原始输入中扣除当前最大的那个值再做进一步计算[^3]。 - **维度匹配问题**:当面对高维矩阵作为输入参数时,应特别留意沿哪个轴方向完成累加动作以及保持原有形状不变的需求。
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