使用log_softmax而不是softmax

  • log_softmax在理论上等于先softmax再log,但在实际使用中,后者会导致inf和nan
  • 举个例子
import torch
import torch.nn.functional as F

a=torch.tensor([0.01,999])
b=F.softmax(a,dim=0)       # tensor([0., 1.])
torch.log(b)               # tensor([-inf, 0.])
c=F.log_softmax(a,dim=0)   # tensor([-998.9900,    0.0000])
torch.exp(c)               # tensor([0., 1.])
  • 原因:log_softmax的公式是ln⁡exiex1+...+exn\ln \frac {e^{xi}} {e^{x1}+...+e^{xn}}lne
在 PyTorch 中,`log_softmax` 是一个常用的函数,通常用于分类任务中,尤其是在结合 `NLLLoss`(负对数似然损失)使用时。该函数会对输入张量应用 Softmax 函数,然后取自然对数,从而提高数值稳定性。其数学表达式为: $$ \text{log\_softmax}(x_i) = \log\left(\frac{\exp(x_i)}{\sum_j \exp(x_j)}\right) $$ 在 PyTorch 中,可以通过 `torch.nn.functional.log_softmax()` 调用该函数,通常需要指定输入张量和维度参数 `dim`。以下是一个基本的使用示例: ```python import torch import torch.nn.functional as F # 创建一个随机输入张量,形状为 (batch_size, num_classes) input_tensor = torch.randn(3, 5) # 应用 log_softmax,通常在分类任务中指定 dim=1 output = F.log_softmax(input_tensor, dim=1) print(output) ``` ### 使用场景 1. **分类任务**:`log_softmax` 通常用于多分类任务的输出层,配合 `NLLLoss` 作为损失函数使用。这种方式等价于使用 `CrossEntropyLoss`,后者实际上是 `log_softmax` 和 `NLLLoss` 的组合。 2. **概率输出**:通过 `log_softmax` 得到的输出可以视为每个类别的对数概率,便于后续的损失计算和预测。 ### 注意事项 - **数值稳定性**:直接计算 `log(softmax(x))` 可能会导致数值不稳定问题,PyTorch 内部已经优化了 `log_softmax` 的实现,以避免数值溢出。 - **维度选择**:`dim` 参数决定了 Softmax 操作的维度。对于二维输入(如分类任务中的 `(batch_size, num_classes)`),通常设置 `dim=1`。 ### 常见问题 1. **与 `softmax` 的区别**:`log_softmax` 是 `softmax` 的对数形式,通常在数值计算上更稳定,尤其是在损失计算时,可以避免浮点数下溢问题。 2. **与 `NLLLoss` 的配合使用**:`log_softmax` 的输出可以直接作为 `NLLLoss` 的输入,从而计算负对数似然损失。这种方式在训练分类模型时非常常见。 3. **性能问题**:在某些情况下,如果直接使用 `CrossEntropyLoss`,可以省去显式调用 `log_softmax` 的步骤,因为 `CrossEntropyLoss` 已经内置了 `log_softmax` 和 `NLLLoss` 的组合。 ### 示例:结合 `log_softmax` 和 `NLLLoss` ```python import torch import torch.nn.functional as F import torch.nn as nn # 定义输入和目标 input_tensor = torch.randn(3, 5) # batch_size=3, num_classes=5 target = torch.tensor([1, 0, 4]) # 目标类别索引 # 应用 log_softmax log_probs = F.log_softmax(input_tensor, dim=1) # 定义损失函数并计算损失 criterion = nn.NLLLoss() loss = criterion(log_probs, target) print(loss) ``` ### 总结 `log_softmax` 是 PyTorch 中用于分类任务的重要函数,能够提供数值稳定的对数概率输出,并与 `NLLLoss` 紧密配合。在实际应用中,需要注意维度选择和损失函数的正确使用方式[^1]。
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