熵、KL散度、交叉熵

绪论

最近在做实验的时候,发现机器有些基本知识真的很重要,所以就把机器学习的内容重新整理一下,本文仅从机器学习的角度来讲解熵、KL散度和交叉熵。且本文的公式都是以离散的形式来写的,方便理解

简单来说熵就是描述系统的不确定性的,就是说,一个事件越确定,那么它的熵就越小,越不确定熵就越大。熵的定义为: H ( x ) = − ∑ i = 1 n p ( x i ) log ⁡ p ( x i ) H(x) = -\sum_{i=1} ^n p(x_i)\log p(x_i) H(x)=i=1np(xi)logp(xi)例如:抛一枚硬币,有两种情况,正反各有 1 2 \frac{1}{2} 21 的概率,熵为: H ( x ) = − 1 2 log ⁡ ( 1 2 ) − 1 2 log ⁡ ( 1 2 ) H(x) = -\frac{1}{2}\log(\frac{1}{2})-\frac{1}{2}\log(\frac{1}{2}) H(x)=21log(21)21log(21)

KL散度

这里先忘掉前面的知识,简单来说,KL散度是描述两个分布之间的差异,比如说,我们现在有两个分布,现在想看这两个分布之间的差异,有很多种衡量的方式,计算距离等等,KL散度也是一种衡量方式,而且实践证明它比较好用,仅此而已。定义为: D K L ( p ∣ ∣ q ) = ∑ i = 1 n p ( x i ) log ⁡ p ( x i ) q ( x i ) D_{KL}(p||q)=\sum_{i=1}^n p(x_i)\log \frac{p(x_i)}{q(x_i)} DKL(pq)=i=1np(xi)logq(xi)p(xi)其中P和Q为两个不同的分布。在实际中,一般p为真实分布,q为近似分布,一般的任务是需要让q来接近于真实分布。另外KL散度不是距离,它不是对称的,即 D K L ( p ∣ ∣ q ) D_{KL}(p||q) DKL(pq)不等于 D K L ( q ∣ ∣ p ) D_{KL}(q||p) DKL(qp)

交叉熵

交叉熵跟KL散度很相似,先上公式: H ( p , q ) = − ∑ i = 1 n p ( x i ) log ⁡ q ( x i ) = H ( p ) + D K L ( p ∣ ∣ q ) H(p, q)=-\sum_{i=1}^np(x_i)\log q(x_i) = H(p)+D_{KL}(p||q) H(p,q)=i=1np(xi)logq(xi)=H(p)+DKL(pq)从公式中可以看出,交叉熵相比KL散度就是多了一项 H ( p ) H(p) H(p)如果P为真实分布的话,那么 H ( p ) H(p) H(p)为常数,此时,KL散度和交叉熵是等价的。那为什么我们一般用交叉熵做损失函数而不用KL散度呢?因为交叉熵的计算比KL散度要简单很多

### 信息 信息是一种衡量随机变量不确定性的指标。对于离型随机变量 \(X\),其概率质量函数为 \(P(X)\),则信息定义如下: \[ H(X) = - \sum_{i=1}^{n} P(x_i) \log_2(P(x_i)) \] 其中,\(P(x_i)\) 表示事件 \(x_i\) 发生的概率[^1]。 信息越高,则系统的不确定性越大;反之亦然。 --- ### 交叉熵 交叉熵是用来衡量两个概率分布之间差异的一种方法,在机器学习中广泛应用于分类任务中的损失计算。假设真实分布为 \(P\),预测分布为 \(Q\),那么交叉熵可以表示为: \[ H(P, Q) = - \sum_{i=1}^{n} P(x_i) \log(Q(x_i)) \] 这里需要注意的是,交叉熵不仅依赖于真实的概率分布 \(P\),还取决于模型预测的概率分布 \(Q\)。因此,它是评估模型性能的重要工具之一[^2]。 --- ### KL KL (Kullback-Leibler divergence),也称为相对,用于量化两个概率分布之间的差异程。给定两个概率分布 \(P\) 和 \(Q\)KL 的公式为: \[ D_{KL}(P || Q) = \sum_{i=1}^{n} P(x_i) \log{\frac{P(x_i)}{Q(x_i)}} \] 值得注意的是,KL 具有 **非对称性** 和 **非负性** 的特点。即通常情况下 \(D_{KL}(P || Q) \neq D_{KL}(Q || P)\)[^3]。 --- ### JS JS (Jensen-Shannon divergence)是对称版本的 KL ,解决了 KL 不对称的问题。它通过引入中间分布来实现这一点。设 \(M = \frac{1}{2}(P + Q)\),则 JS 可写成: \[ D_{JS}(P || Q) = \frac{1}{2} D_{KL}(P || M) + \frac{1}{2} D_{KL}(Q || M) \] 由于 JS 基于 KL 构建,所以它的取值范围在 \([0, 1]\) 内,并且满足对称性和有限性条件。 --- ### 定义区别与联系 | 指标 | 描述 | |------------|------------------------------------------------------------------------------------------| | **信息** | 测量单个随机变量本身的不确定性 | | **交叉熵** | 量两个概率分布间的差异,主要用于监督学习中的目标优化 | | **KL ** | 计算一个分布相对于另一个分布的信息增益或“距离”,是非对称的 | | **JS ** | 基于 KL 改进而来,解决非对称问题并提供更稳定的数值表现 | 这些概念都属于信息论范畴,但在实际应用中有不同的侧重点。例如,交叉熵被频繁用作神经网络训练的目标函数,而 KL 更多地出现在变分推断等领域。 --- ### 在机器学习和深学习中的作用 - **信息**:帮助理解数据集内部结构以及特征的重要性。 - **交叉熵**:作为分类任务的核心损失函数,指导模型参数调整以最小化误差。 - **KL **:适用于生成对抗网络 (GANs) 或变分自编码器 (VAEs) 中隐空间分布匹配的任务。 - **JS **:相比 KL 更加稳定可靠,尤其适合处理不平衡样本情况下的相似比较场景。 --- ####
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