损失函数:Hinge Loss(max margin)

本文转自:https://blog.youkuaiyun.com/luo123n/article/details/48878759

作者本人理解的很深刻,所以写的深入浅出,言简意赅,推荐之。


Hinge Loss简介

Hinge Loss是一种目标函数(或者说损失函数)的名称,有的时候又叫做max-margin objective。其最著名的应用是作为SVM的目标函数。

其二分类情况下,公式如下: 

l ( y ) = m a x ( 0 , 1 t y )

其中,y是预测值(-1到1之间),t为目标值( ± 1)。

其含义为,y的值在-1到1之间就可以了,并不鼓励|y|>1,即并不鼓励分类器过度自信,让某个可以正确分类的样本距离分割线的距离超过1并不会有任何奖励。从而使得分类器可以更专注整体的分类误差。

变种

实际应用中,一方面很多时候我们的y的值域并不是[-1,1],比如我们可能更希望y更接近于一个概率,即其值域最好是[0,1]。另一方面,很多时候我们希望训练的是两个样本之间的相似关系,而非样本的整体分类,所以很多时候我们会用下面的公式: 

l ( y , y ) = m a x ( 0 , m y + y )

其中,y是正样本的得分,y’是负样本的得分,m是margin(自己选一个数)

即我们希望正样本分数越高越好,负样本分数越低越好,但二者得分之差最多到m就足够了,差距增大并不会有任何奖励。

比如,我们想训练词向量,我们希望经常同时出现的词,他们的向量内积越大越好;不经常同时出现的词,他们的向量内积越小越好。则我们的hinge loss function可以是: 

l ( w , w+ , w ) = m a x ( 0 , 1 wT w+ + wT w )

其中,w是当前正在处理的词,w+ 是w在文中前3个词和后3个词中的某一个词,w 是随机选的一个词。
### 最大间隔损失函数概述 最大间隔损失函数Max-Margin Loss Function),通常应用于支持向量机(SVM)和其他分类算法中,旨在最大化不同类别之间的边界宽度。通过这种方式,模型不仅能够区分训练数据中的正负样本,还能保持良好的泛化能力[^1]。 ### 定义 具体来说,在二元线性可分的情况下,给定一组带标签的数据点 \((\mathbf{x}_i,y_i)\),其中 \(y_i\) 取值为 +1 或 -1 表示两个不同的类。目标是最优化超平面参数使得对于所有的 i 都满足: \[ y_i(\mathbf{w}^\top\mathbf{x}_i+b) \geq 1-\xi_i,\quad\xi_i\ge0 \] 这里的约束条件意味着当某个实例被正确分类时其距离决策边界的最小安全距离应至少为1;而如果违反此规定,则引入松弛变量 \(\xi_i\) 来允许一定程度上的误判。最终求解的目标是在保证上述不等式的前提下使权重向量 w 的模尽可能小,即寻找具有最大边缘的分离面。 ### 使用场景 该损失函数特别适用于高维空间内的模式识别任务以及存在少量异常值的情况。由于它试图找到一个能最好地区分两类对象的最佳分割界限,因此非常适合处理那些特征维度较高但有效样本数量相对较少的问题。此外,这种方法还具备较强的抗噪能力和较好的推广性能,即使面对未见过的新数据也能给出较为可靠的预测结果。 ### 实现方式 下面是一个简单的 Python 函数实现了一个基于梯度下降法的最大间隔损失计算过程: ```python import numpy as np def max_margin_loss(X, Y, W, b=0., C=1.): """ X : 输入矩阵 (n_samples, n_features) Y : 输出标签 (-1 or +1), shape=(n_samples,) W : 权重向量, shape=(n_features,) b : 偏置项,默认为零 C : 正则化系数 返回:总损失值 """ margins = Y * ((X @ W.T) + b) hinge_losses = np.maximum(0, 1-margins) regularization_term = 0.5*C*np.sum(W**2) total_loss = regularization_term + np.mean(hinge_losses) return total_loss ```
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