【TensorFlow1.X】系列学习笔记【入门四】

【TensorFlow1.X】系列学习笔记【入门四】

大量经典论文的算法均采用 TF 1.x 实现, 为了阅读方便, 同时加深对实现细节的理解, 需要 TF 1.x 的知识

【TensorFlow1.X】系列学习文章目录

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前言

实现神经网络的搭建，下一步需要学习神经网络优化原理和实现细节，本篇博文将详解损失函数作用。

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损失函数作用

损失函数在深度学习中起着重要的作用，它用于衡量模型预测结果与实际标签之间的差异，指导模型的训练过程，是评估模型性能和优化模型参数的关键组成部分。损失函数具有以下几个主要作用：

1. 衡量模型性能：损失函数用于衡量模型在给定数据上的性能。通过计算预测结果与真实标签之间的差异，可以评估模型的准确性和误差大小。
2. 反映优化目标：损失函数定义了优化算法的目标，即最小化损失函数的值。通过最小化损失函数，模型可以尽量减少预测结果与真实标签之间的差异，并提高模型的性能。
3. 指导参数更新：在优化过程中，损失函数的梯度被用于指导参数的更新方向和幅度。通过计算损失函数对于模型参数的梯度，可以确定参数更新的方向，使得损失函数的值逐渐减小。
4. 支持模型选择和比较：不同的损失函数适用于不同的任务和问题。选择适合任务的损失函数可以帮助模型更好地学习和拟合数据。此外，通过比较不同模型在相同损失函数下的性能，可以选择最佳的模型架构和超参数。

深度学习常见的损失函数包括：

• 均方误差(Mean Squared Error,MSE)：适用于回归问题，衡量预测值和真实值之间的平均平方差。
• 交叉熵(Cross Entropy)：适用于分类问题，衡量预测概率分布与真实概率分布之间的差异。

选择合适的损失函数取决于任务类型、数据特征和模型要解决的问题。不同的损失函数对模型的训练和优化过程产生不同的影响，因此需要仔细选择和调整以达到最佳结果。

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均方误差(MSE)

均方误差mse：n 个样本的预测值$y$与真实值$y\_$之差的平方和，再求平均值。
$$MSE(y\_,y)=\frac{{\sum }_{i=1}^n{(y-y\_)}^2}{n}$$
在 Tensorflow1.X中用 loss_mse = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y))
举个小案例：两个神经网络模型解决二分类问题中，已知标准答案为$y\_=(1,0)$，第一个神经网络模型预测结果为${\mathrm{y}}_1=(0.7,0.5)$，第二个神经网络模型预测结果为${\mathrm{y}}_2=(0.8,0.1)$，判断哪个神经网络模型预测的结果更接近标准答案。
根据均方误差的计算公式得：
$MSE\_1((1,0),(0.7,0.5))=(0.7-1{)}^2+(0{.5-0)}^2=0.34$
$MSE\_2((1,0),(0.8,0.1))=(0.8-1{)}^2+(0{.1-0)}^2=0.05$
由于0.34>0.05，所以预测值$y_2$与真实值$y\_$更接近，$y_2$预测更准确。

对于多分类问题，MSE并不是一个常用的评估指标

在上一篇博文【TensorFlow1.X入门三】中的线性回归和非线性回归中都用到了此方法。

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交叉熵(Cross Entropy)

交叉熵 Cross Entropy：n 个样本的预测值$y$与真实值$y\_$的概率分布之间的距离，交叉熵越大，两个概率分布距离越远，两个概率分布越相异；交叉熵越小，两个概率分布距离越近，两个概率分布越相似。
$$H(y\_,y)=-{\sum }_{i=1}^{n}y\_\ast \log y$$
在 Tensorflow1.X中用loss_ce = -tf.reduce_mean(y_* tf.log(tf.clip_by_value(y, 1e-12, 1.0)))
同一个小案例，根据交叉熵的计算公式得：
$H\_1\left(\left(1,0\right),\left(0.7,0.5\right)\right)=-\left(1\ast log0.7+0\ast log0.3\right)\approx 0.36$
$H\_2\left(\left(1,0\right),\left(0.8,0.1\right)\right)=-\left(1\ast log0.8+0\ast log0.1\right)\approx 0.22$
由于0.36>0.22，所以预测值$y_2$与真实值$y\_$更接近，$y_2$预测更准确。

这里$n$分类的输出概率并没有什么联系，而且通常会将每个概率值都压缩在min和max之间：小于min的值等于min，大于max的值等于max。tf.clip_by_value(y, 1e-12, 1.0)即在0到1之间，这样的话上面的H_1的值就被压缩成是$H\_1\left(\left(1,0\right),\left(0.7,0.3\right)\right)\approx 0.36$，所以$H\_1$公式博主并没有写错。

在深度学习中，一般让模型的输出经过softmax函数，以获得输出分类的概率分布，再与真实值对比，求出交叉熵，得到损失函数。softmax函数要求$n$分类的输出满足以下概率分布要求的函数：$p(X=x_i)\in [0,1]$且${\sum }_i^{n}p(X=x_i)=1$，softmax函数具体表示为：$p(X=x_i)=\mathrm{softmax}(x_i)=\frac{e^{x_i}}{{\sum }_{i=1}^n{e}^{x_i}}$。
在 Tensorflow1.X中结合softmax和Cross Entropy后用loss_ce = tf.reduce_mean(tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y, labels=tf.argmax(y_, 1)))
同一个小案例，根据改良版本的交叉熵的计算公式得：
$H\_1\left(\left(1,0\right),softmax\left(0.7,0.5\right)\right)\approx H\_1\left(\left(1,0\right),\left(0.57,0.43\right)\right)=0.56$
$H\_2\left(\left(1,0\right),softmax\left(0.8,0.1\right)\right)\approx H\_1\left(\left(1,0\right),\left(0.79,0.21\right)\right)=0.24$
由于0.56>0.24，所以预测值$y_2$与真实值$y\_$更接近，$y_2$预测更准确。
在上一篇博文【TensorFlow1.X入门三】中的逻辑回归中都用到了此方法。

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自定义损失函数

根据问题的实际情况，定制合理的损失函数。
举个例子：对于预测酸奶日销量问题，如果预测销量大于实际销量则会损失成本；如果预测销量小于实际销量则会损失利润。在实际生活中，往往制造一盒酸奶的成本和销售一盒酸奶的利润是不等价的。因此，需要使用符合该问题的自定义损失函数:$loss={\sum }_{i=0}^{n}f(y\_,y)$
自定义损失函数制作为分段函数：$f(y\_,y)=\{\begin{array}{c}profit\times (y\_-y),y<y\_\\ cost\times (y\_-y),y>=y\_\end{array}$
若预测结果 y 小于标准答案 y_，损失函数为利润乘以预测结果 y 与标准答案 y_之差；
若预测结果 y 大于标准答案 y_，损失函数为成本乘以预测结果 y 与标准答案 y_之差。
在 Tensorflow1.X中用loss = tf.reduce_sum(tf.where(tf.greater(y,y_),COST(y-y_),PROFIT(y_-y)))
自定义损失函数的完整的代码：

#coding:utf-8
#酸奶成本1元， 酸奶利润9元
#预测少了损失大，故不要预测少，故生成的模型会多预测一些
#0导入模块，生成数据集
import tensorflow as tf
import numpy as np
BATCH_SIZE = 8
SEED = 23455
COST = 8
PROFIT = 2

rdm = np.random.RandomState(SEED)
X = rdm.rand(32,2)
# 假设市场的真实利润Y=3*COST+2*PROFIT
Y = [[3*x1+2*x2+(rdm.rand()/10.0-0.05)] for (x1, x2) in X]

# 定义神经网络的输入、参数和输出，定义前向传播过程。
x = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 2))
y_ = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 1))
# 希望训练好的网络权重接近w=(a,b)接近(3,2)
w = tf.Variable(tf.random_normal([2, 1], stddev=1, seed=1))
y = tf.matmul(x, w)

#定义损失函数及反向传播方法。
loss = tf.reduce_sum(tf.where(tf.greater(y, y_), (y - y_)*COST, (y_ - y)*PROFIT))
train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.001).minimize(loss)

#生成会话，训练STEPS轮。
with tf.Session() as sess:
    init_op = tf.global_variables_initializer()
    sess.run(init_op)
    STEPS = 3000
    for i in range(STEPS):
        start = (i*BATCH_SIZE) % 32
        end = (i*BATCH_SIZE) % 32 + BATCH_SIZE
        sess.run(train_step, feed_dict={
    
    x: X[start:end], y_: Y[start:end]})
        if i % 1000 == 0:
            print ("After %d training steps, w1 is: " % (i))
            print (sess.run(w), "\n")
    print ("Final w1 is: \n", sess.run(w))

采用均方损失函数的完整的代码：

只需要修改loss部分

#coding:utf-8
#酸奶成本1元， 酸奶利润9元
#预测少了损失大，故不要预测少，故生成的模型会多预测一些
#0导入模块，生成数据集
import tensorflow as tf
import numpy as np
BATCH_SIZE = 8
SEED = 23455
COST = 8
PROFIT = 2

rdm = np.random.RandomState(SEED)
X = rdm.rand(32,2)
# 假设市场的真实利润Y=3*COST+2*PROFIT
Y = [[3*x1+2*x2+(rdm.rand()/10.0-0.05)] for (x1, x2) in X]

# 定义神经网络的输入、参数和输出，定义前向传播过程。
x = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 2))
y_ = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 1))
# 希望训练好的网络权重接近w=(a,b)接近(3,2)
w = tf.Variable(tf.random_normal([2, 1], stddev=1, seed=1))
y = tf.matmul(x, w)

#定义损失函数及反向传播方法。
loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y))
train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.001).minimize(loss)

#生成会话，训练STEPS轮。
with tf.Session() as sess:
    init_op = tf.global_variables_initializer()
    sess.run(init_op)
    STEPS = 3000
    for i in range(STEPS):
        start = (i*BATCH_SIZE) % 32
        end = (i*BATCH_SIZE) % 32 + BATCH_SIZE
        sess.run(train_step, feed_dict={
    
    x: X[start:end], y_: Y[start:end]})
        if i % 1000 == 0:
            print ("After %d training steps, w1 is: " % (i))
            print (sess.run(w), "\n")
    print ("Final w1 is: \n", sess.run(w))

由执行结果可知，无论怎么修改COST和PROFIT的值，采用自定义损失函数预测的权重(2.98,1.98)都比采用均方误差预测的权重(1.88,2.83)更接近真实值(3,2)，更符合实际需求。

总结

损失函数在机器学习和深度学习中起着非常重要的作用。它是用来衡量模型预测结果与真实标签之间的差异或误差的函数。通过最小化损失函数，我们可以训练模型的参数以使其能够更好地拟合训练数据，并在新的未见数据上做出准确的预测。博文对深度学习常见的损失函数进行的讲解，并根据问题的实际情况，举例分析讲解了如何定制合理的损失函数。

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