【深度学习】softmax回归——原理、one-hot编码、结构和运算、交叉熵损失

1. softmax回归是分类问题

　　回归（Regression）是用于预测某个值为“多少”的问题，如房屋的价格、患者住院的天数等。

　　分类（Classification）不是问“多少”，而是问“哪一个”，用于预测某个事物属于哪个类别，如该电子邮件是否是垃圾邮件、该图像是猫还是狗、该用户接下来最有可能看哪部电影等。

　　分类问题也有些许差别：（1）我们只对样本的硬性类别感兴趣，即属于哪个类别；（2）我们希望得到软性类别，即每个类别的概率是多少。这两者的界限往往很模糊，我们通常使用软性类别的模型来进行硬性分类。这也是softmax模型的原理。

2. 如何表示分类问题——独热编码（one-hot encoding）

　　我们需要在分类问题中表示类别（标签）。最直接的想法是选择 $y\in \left\{1,2,3 \right\}$ ，其中的整数分别代表每个类别，如果类别之间有一些自然顺序，比如 $\left\{\text{婴儿},\text{儿童},\text{青少年},\text{年青人},\text{中年人},\text{老年人}\right\}$ ，那么将这个问题转变为回归问题并保留这种格式是有意义的。

　　但是，一般的分类问题并不与类别之间的自然顺序有关。对此，我们使用一种简单的表示方法：独热编码（one-hot encoding）。独热编码是一个向量，它的分量和类别数目一样多，类别对应的分类设置为 $1$ ，其他所有分量设置为 $0$ 。

　　例如，一个图像分类问题，输入图像是一个 $2\times 2$ 的灰度图像，可以用一个标量表示每个像素值，每个图像对应四个特征 $x_{1},x_{2},x_{3},x_{4}$ 。输入图像被分类为“猫”、“狗”、“鸡”，那么标签 $y$ 就是一个三维向量，其中 $\left(1,0,0\right)$ 对应于“猫”， $\left(0,1,0\right)$ 对应于“狗”，$\left(0,0,1\right)$ 对应于“鸡”：

$$y\in\left\{\left(1,0,0\right),\left(0,1,0\right),\left(0,0,1\right)\right\}$$

3. 网络结构

　　为了获得所有可能类别的概率，我们需要一个多输出的模型，每个类别对应一个输出。为了实现线性模型的分类，我们需要和输出一样多的仿射函数，每个输出对应于自己的仿射函数。

　　在我们提出的例子中，由于我们有 $4$ 个特征和 $3$ 个可能的输出类别，我们将需要 $12$ 个标量来表示权重（ $w$ ）， $3$ 个标量来表示偏置（ $b$ ）。下面根据输入特征来计算三个预测：$o_{1},o_{2},o_{3}$  。

$$o_{1} = w_{11}x_{1} + w_{12}x_{2} + w_{13}x_{3} + w_{14}x_{4} + b_{1}$$

$$o_{2} = w_{21}x_{1} + w_{22}x_{2} + w_{23}x_{3} + w_{24}x_{4} + b_{2}$$

$$o_{3} = w_{31}x_{1} + w_{32}x_{2} + w_{33}x_{3} + w_{34}x_{4} + b_{3}$$

　　由于计算每个输出 $o_{1},o_{2},o_{3}$ 取决于输入的 $x_{1},x_{2},x_{3},x_{4}$ ，所以softmax回归的输出层也是全连接层。

　　我们使用线性代数符号简洁地表达模型，模型的向量形式为：

$$\textbf o = \textbf W \textbf x + \textbf b$$

　　其中， $\textbf o \in \mathbb R^{3}$ ， $\textbf W \in \mathbb R^{3 \times 4}$ ， $\textbf x \in \mathbb R^{4}$ ， $\textbf b \in \mathbb R^{3}$ ，权重 $\textbf W$ 为一个 $3 \times 4$ 的矩阵，对于给定数据样本的特征 $\textbf x$ ，我们的输出 $\textbf o$ 是由权重与输入特征进行矩阵-向量乘法再加上偏置 $\textbf b$ 得到的。

4. softmax运算

　　这里使用的方法是，将模型的输出视为概率。

　　我们希望模型的输出 $\hat{y_{j}}$ 可以视为属于类别 $j$ 的概率。然后，选择最大输出值的类别 $\mathop{\arg\max}_{j}y_{j}$ 做为我们的预测。例如，如果 $\hat{y_{1}}$ ， $\hat{y_{2}}$ ， $\hat{y_{3}}$ 分别为 $0.1$ ， $0.8$ ， $0.1$ ，那么我们预测的类别就是 $2$ ，在我们的例子中代表“狗”。

　　为什么我们不可以用预测 $\textbf o$ 直接作为输出呢？一方面，这些值的总和不一定为 $1$ ；另一方面，这些值可以为负数。

　　要将输出视为概率，我们必须保证模型在任何数据上的输出都是非负值且总和为 $1$ 。此外，还需要一个训练目标，来使模型能精准的估计概率。如在输出为 $0.5$ 的所有样本中，我们希望有一半实际上属于预测的类别。这个属性叫做校准（calibration）。

　　我们使用softmax函数来将未归一化的预测变换为非负且总和为 $1$ ，同时模型可导。我们首先对每个未归一化的预测求幂，这样可以保证输出非负。为了保证输出总和为 $1$ ，我们再对每个求幂后的结果除以它们的总和。公式如下：

$$\hat{\textbf y} = softmax\left( \textbf o \right) \qquad\text{其中}\qquad \hat{y_{j}} = \frac{\exp{o_{j}}}{\sum_{k}\exp{o_{k}}}$$

　　如上所示，对所有的 $j$ 都有 $0 \le \hat{y_{j}} \le 1$ ，因此，输出 $\hat{\textbf y}$ 可以视为一个概率分布。

　　softmax运算不会改变预测 $\textbf o$ 之间的顺序，只会确定每个输出类别的概率。因此，在预测过程中，我们有：

$$\mathop{\arg\max}_{j}\hat{y_{j}} = \mathop{\arg\max}_{j}o_{j}$$

　　尽管softmax是一个非线性函数，但softmax回归的输出仍然由输入特征的仿射变换决定。因此，softmax回归是一个线性模型。

5. softmax运算的矢量化

　　假设我们读取一个批量的样本 $\textbf X$ ，每个样本有 $d$ 个特征，批量大小为 $n$ ，输出类别数量为 $q$ 。那么批量样本特征为 $\textbf X \in \mathbb{R^{n \times d}}$ ，权重为 $\textbf W \in \mathbb{R^{d \times q}}$ ，偏置为 $\textbf b \in \mathbb{R^{1 \times q}}$ ，于是，softmax回归的矢量计算表达式为：

$$\textbf O = \textbf X \textbf W + \textbf b$$

$$\hat{\textbf Y} = softmax \left( \textbf O \right)$$

　　$\textbf O \in \mathbb{R^{n \times q}}$ ，$+\textbf b$ 求和使用广播，$softmax$ 运算按行进行， $\hat{\textbf Y} \in \mathbb{R^{n \times q}}$ 。

6. 损失函数——交叉熵损失（cross-entropy loss）

　　在softmax回归中，我们使用交叉熵损失来衡量预测和真实值之间的区别。

　　$softmax$ 函数将为归一化的输出 $\textbf o$ 映射为一个向量 $\hat{\textbf y}$ ，我们可以将其视为给定任意输入 $\textbf x$ 的每个类别的估计条件概率，假设整个数据集 $\left\{\textbf X,\textbf Y \right\}$ 具有 $n$ 个样本，其中索引为 $i$ 的样本由特征向量 $\textbf x^{\left( i \right)}$ 和独热标签向量 $\textbf y^{\left( i \right)}$ 组成。

　　对于任意标签 $\textbf y$ 和模型预测 $\hat{\textbf y}$ ，我们的损失函数（交叉熵损失）为：

$$l\left( \textbf y,\hat{\textbf y}\right) = - \sum_{j=1}^{q}y_{j}\log{\hat{y}_{j}}$$

　　独热标签向量 $\textbf y$ 中，只有一个分量为 $1$ 其余都为 $0$ ，于是损失函数又可以写做：

$$l\left( \textbf y,\hat{\textbf y}\right) = - \log{\hat{y}_{y}}$$

　　根据softmax的定义，将损失函数展开为：

$$l\left( \textbf y,\hat{\textbf y}\right) = - \sum_{j=1}^{q} y_{j} \log{ \frac{ \exp{\left( o_{j}\right)} }{ \sum{_{k=1}^{q}\exp{\left(o_{k}\right)}} } }$$

$$= \sum^{q}_{j=1} \log{ \sum^{q}_{k=1} \exp{\left(o_{k}\right)} } - \sum^{q}_{j=1}y_{j}o_{j}$$

$$= \log{  \sum^{q}_{k=1}\exp{\left(o_{k}\right)}  } - \sum^{q}_{j=1}y_{j}o_{j}$$

　　损失函数对任何预测 $o_{j}$ 求导：

$$\frac{\partial l\left( \textbf y,\hat{\textbf y}\right)}{\partial o_{j}} = \frac{\exp{o_{j}}}{\sum^{q}_{k=1}\exp{o_{k}}} - y_{i} = softmax\left(\textbf o \right)_{j} - y_{j}$$

　　由上式知，导数是我们模型得到的概率与实际之间的差异。

本文为学习笔记，学习内容来自李沐 https://zh-v2.d2l.ai/