引言

这一节的笔记，主要讲解除了SVM以外的另一种损失函数——softmax损失函数。

softmax损失函数

如上一小节的最后所言，在softmax损失函数中，我们将赋予这些得分一些额外的含义，并且会用这些分数针对我们的类别计算概率分布。

在谈论softmax损失函数之前，我们先简单说明一下它的由来，它是由逻辑斯谛函数推广得到的。逻辑斯谛函数主要用来处理二分类的问题，而softmax则适用于处理多分类的问题。

选择使用softmax分类器或者多个逻辑斯谛分类器取决于所有类别之间是否互斥。互斥选择前者，不互斥有交叉则选择后者。

softmax损失函数

我们将用softmax损失函数处理分数，即先进行指数化处理以使它们转化为正数，然后用这些指数的和对分数进行归一化处理。

这些分数经过softmax损失函数处理后，我们能得到所有类别的相应的概率分布（介于0-1），而所有类别的概率和相加为1。

比较由这个函数推导出的概率分布和真实的概率分布（目标概率分布）。如对猫的图片来说，猫这一类别的目标概率应该为1，其他类别的目标概率应该都是0。

我们需要做的，就是尽量使我们通过softmax损失函数计算出的概率分布匹配上述的目标概率分布，即正确的类别应该具有几乎全部的概率。

我们可以用多种方式来列这个方程，可以在目标概率分布与计算出的概率分布间计算KL散度以比较它们的差异，或可以做最大似然估计。

而在此处，我们希望正确类别的概率应该比较高并接近1，即损失函数的计算结果为真实类别概率的对数再取负数。

因为log函数单调，所以当我们针对正确类别最大化log P，即希望函数值增大，但损失函数是用来度量坏的程度而非好的程度，所以增加一个负号，使它更加符合预设。即针对正确类别的SVM损失函数将会变成-log P。（此处的log实际为ln）

使用softmax对分数进行转化处理，并得到正确类别的损失函数是-log P

实例说明

以猫类别为例的softmax回归

将使用线性分类器后得到的3个类别分数，先进行指数化处理得到正数，再进行归一化处理，三个类别的概率分布相加为1，此时我们可以得到L_i=-log(P)，其中P为猫这一正确分类的分数，即0.13，计算得到结果：0.89。

softmax回归问题集

1. softmax损失函数的最小值和最大值是多少？

• 答案：最小值为0，最大值为无穷大。
• 解释：概率P的取值范围为0-1。
• 拓展：在实际操作中，如果想要让正确分类的概率为1，需要使正确分类的分数趋近于无穷大，而其他分类的分数趋近于无穷小。计算机并不擅长∞操作，因此损失函数为0，只能是理论上的最小损失，而最大损失为无穷大。

2. 如果所有的S都很小，近乎于0，损失值是多少？

• 答案：-ln(1/C) = lnC。
• 解释：如果分数都很小，且接近于0，那么经过指数化和归一化处理后，所有类别得到的概率分布几乎相等，为1/C，其中C为类别数。

两种损失函数的比较

损失函数间的比较

在线性分类上面，二者的设置看起来是相等的，我们将W和输入向量相乘得到分值向量。二者的区别就在于，如何解释这些分值进而量化度量到底有多坏。

所以对于SVM来说，是要深入研究并观察正确分类的分值和不正确分类的分值的边距。

而对于softmax或交叉熵损失，我们计算概率分布，以得到正确分类的负对数概率。

Softmax vs. SVM

• 在SVM损失函数中，正确类别（如车）的分数会比其他类别的分数高很多，即使改变了这个分数，也不会改变结果。因为SVM只关心正确的分值要比不正确的分值高出一个安全边际。

• softmax损失函数的目标是使概率质量函数（离散分布值）等于1，所以，即使给正确分类很高的分数，同时给不正确的分类很低的分数，softmax依然会在正确分类上积累越来越多的概率质量，从而继续使正确分类的分数逼近无穷大，使不正确分类的分值逼近负无穷。

在实际应用中：

• SVM在当数据点超过阈值成为正确分类后即停止，不再关心该数据点。

• softmax总是试图不断提高每个数据点，使他们的表现越来越好。

在实践中选择哪个函数并不会造成很大影响，至少在很多深度学习的应用中他们的执行很相似，但我们还是应该记住这些差异。

概括

概括

• 我们有一些xs和ys的数据集。
• 用线性分类器得到了一个分数函数，根据我们的输入x计算分数S。
• 用损失函数（softmax或SVM或其他）来定量计算我们的预测跟实际目标y相比有多糟糕。
• 我们会给损失函数增加一个正则项，试图在匹配训练数据和更简单的模型间进行权衡。
  以上过程我们通常称之为监督学习。

在我们接下来的学习中，将需要指定

• 结构上可能很复杂的函数f
• 衡量算法做得如何的损失函数
• 给定任意值的参数
• 惩罚模型的复杂性的正则项
  将这些结合起来找到最终令损失函数最小化的参数W。

问题在于，我们如何才能发现这个使损失函数最小化的参数W？

这就引导出我们下一节的主题——优化。