训练分类器为什么要用cross entropy loss（交叉熵损失函数）而不能用mean square error loss（MSE,最小平方差损失函数）?

最新推荐文章于 2025-03-31 13:50:08 发布

玉来愈宏（张玉宏）

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分类专栏： TensorFlow 深度学习 TensorFlow学习笔记

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在一个人工智能群里，有人问起，训练分类器为什么要用cross entropy loss（交叉熵损失函数）而不能用mean square error loss（MSE,最小平方差损失函数）呢?

正好，在我的那本《深度学习之美》（第11章）提及这个问题，于是复制了一部分内容，作为回答，群里的同学觉得通俗易懂，于是，把我的回答贴到这里，算是一个总结：

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对于多分类的标签（即教师信号），从本质上看，通过One-hot操作，就是把具体的标签（Label）空间，变换到一个概率测度空间（设为 p），如[1，0，0]（表示它是第一个品类）。可以这样理解这个概率，如果标签分类的标量输出为1（即概率为100%），其它值为0（即概率为0%）。

而对于多分类问题，在Softmax函数的“加工”下，神经网络的实际输出值就是一个概率向量，如[0.96, 0.04, 0]，设其概率分布为q。现在我们想衡量p和q之间的差异（即损失），一种简单粗暴的方式，自然是可以比较p和q的差值，如MSE（不过效果不好而已）[1]。

一种更好的方式是衡量这二者的概率分布的差异，就是交叉熵，因为它的设计初衷，就是要衡量两个概率分布之间的差异。

图1 Softmax输出层示意图

为什么要用softmax一下呢？exp函数是单调递增的，它能很好地模拟max的行为，而且它能让“大者更大”。其背后的潜台词则是让“小者更小”，这个有点类似“马太效应”，强者愈强、弱者愈弱。这个特性，对于分类来说尤为重要，它能让学习效率更高。

举例来说，在图1中，原始的分类分数（或者说特征值）是[4, 1, -2]，其中“4”和“1”的差值看起来没有那么大，但经过Softmax“渲染”之后，前者的分类概率接近于96%，而后者则仅在4%左右。而分值为“-2”的概率就“更惨”了，直接趋近于0。这正是Softmax回归的魅力所在。

这样一来，分类标签可以看做是概率分布（由one-hot变换而来），神经网络输出（经过softmax加工）也是一个概率分布，现在想衡量二者的差异（即损失），自然用交叉熵最好了。

参考文献：

[1] Golik P, Doetsch P, Ney H. Cross-Entropy vs. Squared Error Training: a Theoretical and Experimental Comparison[C]// Interspeech. 2013:1756-1760.

节选自张玉宏《深度学习之美》第11章，电子工业出版社，博文视点，2018年6月出版