深度学习基础(二)——Softmax回归与Logistic回归

1 简介

Softmax回归模型,该模型是logistic回归模型在多分类问题上的推广,在多分类问题中,类标签 y 可以取两个以上的值。 Softmax回归是有监督的,不过后面也会介绍它与深度学习/无监督学习方法的结合。

1.1 Logistic回归

我们的训练集由 m 个已标记的样本构成: { ( x ( 1 ) , y ( 1 ) ) , , ( x ( m ) , y ( m ) ) } ,其中输入特征 x ( i ) n + 1 。(我们对符号的约定如下:特征向量 x 的维度为 n + 1 ,其中 x 0 = 1 对应截距项 。) 由于 logistic 回归是针对二分类问题的,因此类标记 y ( i ) { 0 , 1 } 。假设函数(hypothesis function) 如下:

h θ ( x ) = 1 1 + exp ( θ T x ) ,

我们将训练模型参数 θ ,使其能够最小化代价函数 :

(1) J ( θ ) = 1 m [ i = 1 m ( 1 y ( i ) ) log ( 1 h θ ( x ( i ) ) ) + y ( i ) log h θ ( x ( i ) ) ] (2) = 1 m [ i = 1 m j = 0 1 1 { y ( i ) = j } log p ( y ( i ) = j | x ( i ) ; θ ) ]

总结: Logistic Regression算法是将线性函数的结果映射到了sigmoid函数中。

1.2 Softmax回归

在 softmax回归中,我们解决的是多分类问题(相对于 logistic 回归解决的二分类问题),类标 y 可以取 k 个不同的值(而不是 2 个)。因此,对于训练集 { ( x ( 1 ) , y ( 1 ) ) , , ( x ( m ) , y ( m ) ) } ,我们有 y ( i ) { 1 , 2 , , k } 。(注意此处的类别下标从 1 开始,而不是 0)。

对于给定的测试输入 x ,我们想用假设函数针对每一个类别j估算出概率值 p ( y = j | x ) 也就是说,我们想估计 x 的每一种分类结果出现的概率。因此,我们的假设函数将要输出一个 k 维的向量(向量元素的和为1)来表示这 k 个估计的概率值。 具体地说,我们的假设函数 h θ ( x ) 形式如下:

h θ ( x ( i ) ) = [ p ( y ( i ) = 1 | x ( i ) ; θ ) p ( y ( i ) = 2 | x ( i ) ; θ ) p ( y ( i ) = k | x ( i ) ; θ ) ] = 1 j = 1 k e θ j T x ( i ) [ e θ 1 T x ( i ) e θ 2 T x ( i ) e θ k T x ( i ) ]

其中 θ 1 , θ 2 , , θ k n + 1 是模型的参数。请注意 1 j = 1 k e θ j T x ( i ) 这一项对概率分布进行归一化,使得所有概率之和为 1 。

为了方便起见,我们同样使用符号 θ 来表示全部的模型参数。在实现Softmax回归时,将 θ k × ( n + 1 ) 的矩阵来表示会很方便,该矩阵是将 θ 1 , θ 2 , , θ k 按行罗列起来得到的,如下所示:

θ = [ --- θ 1 T --- --- θ 2 T --- --- θ k T --- ]

2 代价函数

现在我们来介绍 softmax 回归算法的代价函数。在下面的公式中, 1 { } 是示性函数,其取值规则为:
1 { } = 1
1 { } = 0
举例来说,表达式 1 { 2 + 2 = 4 } 1 1 { 1 + 1 = 5 } 0 。我们的代价函数为:

J ( θ ) = 1 m [ i = 1 m j = 1 k 1 { y ( i ) = j } log e θ j T x ( i ) l = 1 k e θ l T x ( i ) ]

可以看到,Softmax代价函数与logistic 代价函数在形式上非常类似,只是在Softmax损失函数中对类标记的 k 个可能值进行了累加。注意在Softmax回归中将 x 分类为类别 j 的概率为:

p ( y ( i ) = j | x ( i ) ; θ ) = e θ j T x ( i ) l = 1 k e θ l T x ( i )

对于 J ( θ ) 的最小化问题,目前还没有闭式解法。因此,我们使用迭代的优化算法(例如梯度下降法,或 L-BFGS)。经过求导,我们得到 梯度公式如下
θ j J ( θ ) = 1 m i = 1 m [ x ( i ) ( 1 { y ( i ) = j } p ( y ( i ) = j | x ( i ) ; θ ) ) ]

让我们来回顾一下符号 " θ j " 的含义。 θ j J ( θ ) 本身是一个向量,它的第 l J ( θ ) θ j l J ( θ ) θ j 的第 l 个分量的偏导数。

有了上面的偏导数公式以后,我们就可以将它代入到梯度下降法等算法中,来最小化 J ( θ ) 。 例如,在梯度下降法的标准实现中,每一次迭代需要进行如下更新:

θ j := θ j α θ j J ( θ ) ( j = 1 , , k

当实现 softmax 回归算法时, 我们通常会使用上述代价函数的一个改进版本。具体来说,就是和权重衰减(weight decay)一起使用。我们接下来介绍使用它的动机和细节。

3 Softmax回归模型参数化特点

Softmax 回归有一个不寻常的特点:它有一个“冗余”的参数集。为了便于阐述这一特点,假设我们从参数向量 θ j 中减去了向量 ψ ,这时,每一个 θ j 都变成了 θ j ψ ( j = 1 , , k ) 。此时假设函数变成了以下的式子:

(3) p ( y ( i ) = j | x ( i ) ; θ ) = e ( θ j ψ ) T x ( i ) l = 1 k e ( θ l ψ ) T x ( i ) (4) = e θ j T x ( i ) e ψ T x ( i ) l = 1 k e θ l T x ( i ) e ψ T x ( i ) (5) = e θ j T x ( i ) l = 1 k e θ l T x ( i ) .

换句话说,从 θ j 中减去 ψ 完全不影响假设函数的预测结果!这表明前面的 softmax 回归模型中存在冗余的参数。更正式一点来说, Softmax 模型被过度参数化了。对于任意一个用于拟合数据的假设函数,可以求出多组参数值,这些参数得到的是完全相同的假设函数 h θ

进一步而言,如果参数 ( θ 1 , θ 2 , , θ k ) 是代价函数 J ( θ ) 的极小值点,那么 ( θ 1 ψ , θ 2 ψ , , θ k ψ ) 同样也是它的极小值点,其中 ψ 可以为任意向量因此使 J ( θ ) 最小化的解不是唯一的。(有趣的是,由于 J ( θ ) 仍然是一个凸函数,因此梯度下降时不会遇到局部最优解的问题。但是 Hessian 矩阵是奇异的/不可逆的,这会直接导致采用牛顿法优化就遇到数值计算的问题

注意,当 ψ = θ 1 时,我们总是可以将 θ 1 替换为 θ 1 ψ = 0 (即替换为全零向量),并且这种变换不会影响假设函数。因此我们可以去掉参数向量 θ 1 (或者其他 θ j 中的任意一个)而不影响假设函数的表达能力。实际上,与其优化全部的 k × ( n + 1 ) 个参数 ( θ 1 , θ 2 , , θ k ) (其中 θ j n + 1 ),我们可以令 θ 1 = 0 ,只优化剩余的 ( k 1 ) × ( n + 1 ) 个参数,这样算法依然能够正常工作。

在实际应用中,为了使算法实现更简单清楚,往往保留所有参数 ( θ 1 , θ 2 , , θ n ) 而不任意地将某一参数设置为 0。但此时我们需要对代价函数做一个改动:加入权重衰减。权重衰减可以解决 softmax 回归的参数冗余所带来的数值问题。

4 权重衰减

我们通过添加一个权重衰减项 λ 2 i = 1 k j = 0 n θ i j 2 来修改代价函数,这个衰减项会惩罚过大的参数值,现在我们的代价函数变为:

这里写图片描述

有了这个权重衰减项以后 ( λ > 0 ),代价函数就变成了严格的凸函数,这样就可以保证得到唯一的解。 此时的 Hessian矩阵变为可逆矩阵,并且因为 J ( θ ) 是凸函数,梯度下降法和 L-BFGS 等算法可以保证收敛到全局最优解。

为了使用优化算法,我们需要求得这个新函数 J ( θ ) 的导数,如下:

θ j J ( θ ) = 1 m i = 1 m [ x ( i ) ( 1 { y ( i ) = j } p ( y ( i ) = j | x ( i ) ; θ ) ) ] + λ θ j

通过最小化 J ( θ ) ,我们就能实现一个可用的 softmax 回归模型。

5 Softmax 与 Logistic的回归关系

当类别数 k = 2 时,softmax 回归退化为 logistic 回归。这表明 softmax 回归是 logistic 回归的一般形式。具体地说,当 k = 2 时,softmax 回归的假设函数为:

(6) h θ ( x ) = 1 e θ 1 T x + e θ 2 T x ( i ) [ e θ 1 T x e θ 2 T x ]

利用softmax回归参数冗余的特点,我们令 ψ = θ 1 ,并且从两个参数向量中都减去向量 θ 1 ,得到:
这里写图片描述
因此,用 θ 来表示 θ 2 θ 1 ,我们就会发现 softmax 回归器预测其中一个类别的概率为 1 1 + e ( θ ) T x ( i ) ,另一个类别概率的为 1 1 1 + e ( θ ) T x ( i ) ,这与 logistic回归是一致的

6 Sotfmax 回归 vs k个二元分类器

如果你在开发一个音乐分类的应用,需要对k种类型的音乐进行识别,那么是选择使用 softmax 分类器呢,还是使用 logistic 回归算法建立 k 个独立的二元分类器呢?

这一选择取决于你的类别之间是否互斥,例如,如果你有四个类别的音乐,分别为:古典音乐、乡村音乐、摇滚乐和爵士乐,那么你可以假设每个训练样本只会被打上一个标签(即:一首歌只能属于这四种音乐类型的其中一种),此时你应该使用类别数 k = 4 的softmax回归。(如果在你的数据集中,有的歌曲不属于以上四类的其中任何一类,那么你可以添加一个“其他类”,并将类别数 k 设为5。)

如果你的四个类别如下:人声音乐、舞曲、影视原声、流行歌曲,那么这些类别之间并不是互斥的。例如:一首歌曲可以来源于影视原声,同时也包含人声 。这种情况下,使用4个二分类的 logistic 回归分类器更为合适。这样,对于每个新的音乐作品 ,我们的算法可以分别判断它是否属于各个类别。

现在我们来看一个计算视觉领域的例子,你的任务是将图像分到三个不同类别中。(i) 假设这三个类别分别是:室内场景、户外城区场景、户外荒野场景。你会使用sofmax回归还是 3个logistic 回归分类器呢? (ii) 现在假设这三个类别分别是室内场景、黑白图片、包含人物的图片,你又会选择 softmax 回归还是多个 logistic 回归分类器呢

在第一个例子中,三个类别是互斥的,因此更适于选择softmax回归分类器 。而在第二个例子中,建立三个独立的 logistic回归分类器更加合适。

参考

[1]Softmax回归

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