损失函数(loss function)

时间：2024-10-20 08:20:52

通常而言，损失函数由损失项(loss term)和正则项(regularization term)组成。发现一份不错的介绍资料：

/~dramanan/teaching/ics273a_winter08/lectures/ （题名“Loss functions; a unifying view”）。
 
一、损失项
  • 对回归问题，常用的有：平方损失(for linear regression)，绝对值损失；
  • 对分类问题，常用的有：hinge loss(for soft margin SVM)，log loss(for logistic regression)。
 
说明：
  • 对hinge loss，又可以细分出hinge loss（或简称L1 loss）和squared hinge loss（或简称L2 loss）。国立*大学的Chih-Jen Lin老师发布的Liblinear就实现了这2种hinge loss。L1 loss和L2 loss与下面的regularization是不同的，注意区分开。
二、正则项
  • 常用的有L1-regularization和L2-regularization。上面列的那个资料对此还有详细的总结。

 

补充
    • Liblinear地址：/~cjlin/liblinear/

 

## 机器学习中常见的损失函数  

  一般来说，我们在进行机器学习任务时，使用的每一个算法都有一个目标函数，算法便是对这个目标函数进行优化，特别是在分类或者回归任务中，便是使用损失函数（Loss Function）作为其目标函数，又称为代价函数(Cost Function)。   

损失函数是用来评价模型的预测值Y^=f(X)与真实值Y的不一致程度，它是一个非负实值函数。通常使用L(Y,f(x))来表示，损失函数越小，模型的性能就越好。   

设总有N个样本的样本集为(X,Y)=(xi,yi)，yi,i∈[1,N]为样本i的真实值，yi^=f(xi),i∈[1,N]为样本i的预测值，f为分类或者回归函数。 那么总的损失函数为：

       L=∑i=1Nℓ(yi,yi^)

   常见的损失函数ℓ(yi,yi^)有以下几种： ### Zero-one Loss Zero-one Loss即0-1损失，它是一种较为简单的损失函数，如果预测值与目标值不相等，那么为1，否则为0，即：

       ℓ(yi,yi^)={1,0,yi≠yi^yi=yi^

可以看出上述的定义太过严格，如果真实值为1，预测值为0.999，那么预测应该正确，但是上述定义显然是判定为预测错误，那么可以进行改进为Perceptron Loss。

### Perceptron Loss Perceptron Loss即为感知损失。即：

       ℓ(yi,yi^)={1,0,|yi−yi^|>t|yi−yi^|≤t

其中t是一个超参数阈值，如在PLA([Perceptron Learning Algorithm,感知机算法](/2015/08/06/Machine%20Learning/Perceptron-Learning-Algorithm/))中取t=0.5。

### Hinge Loss Hinge损失可以用来解决间隔最大化问题，如在SVM中解决几何间隔最大化问题，其定义如下：

       ℓ(yi,yi^)=max{0,1−yi⋅yi^}
       yi∈{−1,+1}

更多请参见：[Hinge-loss](/wiki/Hinge_loss)。

### Log Loss 在使用似然函数最大化时，其形式是进行连乘，但是为了便于处理，一般会套上log，这样便可以将连乘转化为求和，由于log函数是单调递增函数，因此不会改变优化结果。因此log类型的损失函数也是一种常见的损失函数，如在LR([Logistic Regression, 逻辑回归](chrome-extension://ikhdkkncnoglghljlkmcimlnlhkeamad/pdf-viewer/web/?file=https%3A%2F%%2F~russell%2Fclasses%2Fcs194%2Ff11%2Flectures%2FCS194%2520Fall%25202011%2520Lecture%))中使用交叉熵(Cross Entropy)作为其损失函数。即：

        ℓ(yi,yi^)=yi⋅logyi^+(1−yi)⋅log(1−yi^)
       yi∈{0,1}

规定

       0⋅log⋅=0

### Square Loss Square Loss即平方误差，常用于回归中。即：

      ℓ(yi,yi^)=(yi−yi^)2
      yi,yi^∈R

### Absolute Loss Absolute Loss即绝对值误差，常用于回归中。即：

      ℓ(yi,yi^)=|yi−yi^|
      yi,yi^∈R

### Exponential Loss Exponential Loss为指数误差，常用于boosting算法中，如[AdaBoost](/wiki/AdaBoost)。即：

      ℓ(yi,yi^)=exp(−yi⋅yi^)
      yi∈{−1,1}

正则

一般来说，对分类或者回归模型进行评估时，需要使得模型在训练数据上使得损失函数值最小，即使得经验风险函数最小化，但是如果只考虑经验风险(Empirical risk)，容易过拟合(详细参见防止过拟合的一些方法)，因此还需要考虑模型的泛化能力，一般常用的方法便是在目标函数中加上正则项，由损失项(Loss term)加上正则项(Regularization term)构成结构风险(Structural risk)，那么损失函数变为： 

L=∑i=1Nℓ(yi,yi^)+λ⋅R(ω)


其中λ是正则项超参数，常用的正则方法包括：L1正则与L2正则，详细介绍参见：防止过拟合的一些方法。

 

各损失函数图形如下：

loss_function



机器学习中的各种损失函数

SVM multiclass loss（Hinge loss）

这里写图片描述 
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这是一个合页函数，也叫Hinge function，loss 函数反映的是我们对于当前分类结果的不满意程度。在这里，多分类的SVM，我们的损失函数的含义是这样的：对于当前的一组分数，对应于不同的类别，我们希望属于真实类别的那个分数比其他的类别的分数要高，并且最好要高出一个margin，这样才是安全的。反映在这个函数中，就是0的那一项的取值范围，Syi表示的是xi样本的真实类别所得到的分数，而Sj指的是其他的类别的分数，如果真实类别的分数是最大的，且大一个margin 1，那么就表示满意，也就是说不惩罚，这一项的loss为0。如果不满足这一条件，我们用下面的一段，也就是Sj - Syi + 1, 1在这里是一个常数，可以使得函数连续起来，这个Sj - Syi表示，Syi，也就是真实样本的分数比别的少的越多，我们越不满意，具体计算方式有下面这个栗子：


这里写图片描述

有时候我们也会用hinge function的平方项作为loss函数。

考虑到很多W都能满足零loss，那么如何在这些W中做出选择？

这里就需要对W进行选择，也就是正则，引出了经验风险损失和结构风险损失的概念，正则的概念众所周知，此略。

这里乱入一下各种正则化，关于正则化的相关问题留作以后整理。


这里写图片描述

multinomial logistic regression （softmax loss）

就是常说的softmax的损失函数，通过将score变成probablity，从而每次只用计算属于正确的分类的那个概率，用对数最大似然的方法，将它变成prob == 1，也就是min -log 使其等于0 。


这里写图片描述
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可以看出，如果类别标签是one-hot vector的话，那么实际上只对真实类别的一类进行求log并加负号。

但是，考虑到这一类的prob是由所有的logits的exp后的和归一化得来的，因此实际上还是对所有的score都有作用。相对于前面的SVM的hinge loss，可以这样对比描述：Hinge loss 对于那些对真实类别给分高的样本不进行过多奖励(loss小相当于奖励高)，也就是说只要正确类别的分数比其他的大1以上，那么就认为这个score已经足够好了，这样就可以关注整体的loss，争取所有样本上表现都比较好。而softmax loss 是对概率分布进行优化，力图使所有的概率密度都向着正确分类样本上集中。

* 关于多分类问题的 softmax loss 和 二分类问题的 logistic 回归的 loss

二分类问题的logistic回归的loss函数是：

loss=−1n∑[ylna+(1−y)ln(1−a)]loss=−1n∑[yln⁡a+(1−y)ln⁡(1−a)]

可以看出，二类别的分类是多分类的一个特殊情况，因此也可以用softmax的方式来处理。但是二分类又是一个特例，因为它的类别不用写成one-hot vector，而是直接用0到1之间的一个数字就可以表示，接近1就是正例，接近0就是反例。所以符合上面的这个公式。这个公式可以看出，y=0，即真实标签为0的时候，第一项就没有了，loss变成-(1-y)ln(1-a)，也就是-ln(1-a)，a越接近0，loss越小；y=1时反之，这样就使得a越来越趋近于真实答案。

考虑到a是logistic方程的输出，x为输入，w是要优化的weights，a在0-1之间，如果我们把两个类别按照多分类的方式，写成one-hot vector的话，那么可以是[1, 0] 和 [0 ,1] ，那么用softmax输出的结果分别是[1-a, a]，其中a接近0，这个向量就接近[1,0]也就是第一类，a接近1，向量接近第二类。用softmax写出来，就和上面的logistic二分类的loss一样了。

logistic回归的loss是可以通过最大似然取对数写出来的，这里假设样本的label，也就是类别服从Bernoulli分布。在【统计学习方法（李航）】一书中有推导过程，如下：


这里写图片描述

交叉熵损失函数（cross entropy loss function）

交叉熵的公式：


这里写图片描述 

这个是来源于信息论的一个定义，表示的是用某个分布去编码另一个分布所需要的平均码长。

作为损失函数时，它可以用来度量两个分布的差异性，比如上述的 softmax 得到的概率分布，和one-hot的概率分布相比，差异性就可以用cross entropy来衡量。按照编码的规则，作为权重的p和在log里面的p两个分布分别代表着真实分布和用来编码的预测分布，这个函数越小，说明两个分布越相像。

用交叉熵损失函数的优势在于，可以避免MSE损失带来的梯度过小的问题。（mse求导后chain里面带着sigmoid的导数，这个导数在有的位置是接近于0的，也就是前面说的软饱和，而cross entropy的导数只和真实值和预测值的差异成正比，所以避免了这一问题。）


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