pytorch（15）损失函数

损失函数

1. 损失函数概念

损失函数：衡量模型输出与真实标签的差异

\[损失函数(Loss Function): Loss = f(\hat y,y)
\]

\[代价函数(Cost Function): Cost =\frac{1}{N} \sum^{N}_{i}f(\hat y_i ,y_i)
\]

\[目标函数(Objective Function): Obj = Cost+Regularization
\]

损失函数：计算一个样本的一个差异

代价函数：计算整个样本的loss的平均值

目标函数：表示最终的一个目标，目标函数来说在有约束条件下的最小化就是损失函数（loss function）

代价函数未必是越小越好，因为很可能出现过拟合。因此为了不让代价函数达到最小，出现过拟合。于是我们就添加了Regularization的正则项L1,L2。

1. 损失函数

class _Loss(Module):
	def __init__(self,reduction='mean'):
		super(_Loss, self).__init__()
		if size_average is not None or reduce is not None:
			self.reduction = _Reduction.legacy_get_string(size_average, reduce)
		else:
			self.reduction = reduction

分析流程：

crossentropyLoss的流程：

loss_functoin = nn.CrossEntropyLoss()   #①处

先通过nn.CrossEntropyLoss构建损失函数赋给loss_function，紧接着在训练过程中通过

loss = loss_functoin(outputs, labels)   #②处

进行计算其损失函数，输入神经网络模型的输出outputs的值和标签进行loss。

在①②处设置断点，step into①处时，进入loss.py，调用class CrossEntropyLoss类，继承_WeightedLoss类，也就是会继承一个带权值的Loss类。进入init的初始化类，能够看到它调用了一个父类的super(CrossEntropyLoss)的初始化类，再step into，能够看到它是一个_WeightedLoss类的init初始化，这个类继承_Loss这个基本类。再通过step into能够看到是继承的Module类，其主要是设置reduction。在这里reduction="mean"。

接下来我们在step into②处进行step into。刚刚在lossfunction处我们已经知道lossfunction是一个Module类型，所以这里输入一个outputs和labels之后就是执行了一个forward.在这里step into后的hook就比较熟悉，我们直接进入到

result = self.forward(*input, **kwargs)

再进入到step into后，进入到forward模块

    def forward(self, input: Tensor, target: Tensor) -> Tensor:
        return F.cross_entropy(input,target,weight=self.weight,ignore_index=self.ignore_index,reduction=self.reduction)

step into [F.cross_entropy]，进入到functional.py中

    if size_average is not None or reduce is not None:
        reduction = _Reduction.legacy_get_string(size_average, reduce)
    return nll_loss(log_softmax(input, 1), target, weight, None, ignore_index, None, reduction)

接下来就能够计算出loss，在这里为[loss:tensor(0.7012, grad_fn=<NllLossBackward>)]

损失函数

1. nn.CrossEntropyLoss
   
   功能：nn.LogSoftmax()[采用softmax进行归一化处理]与nn.NLLLoss()结合，进行交叉熵计算[和公式意义上的交叉熵不同之处：采用softmax进行归一化，把数据值归一到一个概率输出的模式，交叉熵损失函数常常用在分类任务当中，分类任务中通常需要计算两个输出的概率值，因为在分类任务当中我们的输出常常是以概率值为主的，所以交叉熵在这里主要是衡量两个概率分布之间的差异，所以交叉熵的值越低，表示两个概率分布越近越相似]
   
   交叉熵=信息熵+相对熵

\[{交叉熵: } H(P,Q) = -\sum^{N}_{i=1}P(x_i)log Q(x_i)\\
{自信息: }I(x)=-log[p(x)]\\
{熵(信息熵)：}H(P)=E_{x\sim p}[I(x)]=-\sum^{N}_{i}P(x_i)logP(x_i)\\
{相对熵：}D_KL(P,Q)=E_{x\sim p}\Big[log \frac{P(x)}{Q(x)}\Big]\\
=E_{x\sim p}[logP(x)-logQ(x)]\\
=\sum_{i=1}^{N}P(x_i)[log P(x_i)-logQ(x_i)]\\
=\sum_{i=1}^{N}P(x_i)logP(x_i)-\sum_{i=1}^{N}P(x_i)logQ(x_i)\\
=H(P,Q)-H(P)\\
{交叉熵：}H(P,Q) = D_{KL}(P,Q)+H(P)
\]

[熵是香农从热力学方面引申的一个概念，用来描述该事情的不确定性，一个事件越不确定，它的熵就越大，例如明天下雨这件事的熵就比明天太阳升起这件事的熵要大。自信息是用来衡量单个事件的不确定性,px是事件x的概率，对概率取一个-log。熵是整个概率分布的不确定性，用来描述整个概率分布，它是自信息的一个期望。相对熵又叫KL散度，用来衡量两个分布之间的差异距离，虽然是可以计算的，但是它不是一个距离函数，距离函数是有对称性的，这里的相对熵没有对称性。从公式上来看，P是真实的分布，Q是模型输出的一个分布，我们需要用Q去拟合P的分布，所以是不具备对称性的。它是对log P(x)/Q(x)]求取期望。因此在深度学习的模型中，我们去优化交叉熵，实际上就是去优化相对熵的，训练集的P是固定的常数，所以在优化中是优化DKL(P,Q)]

在伯努利模型中，很容易发现概率为0.5的Loss值是0.69，通常意义表明模型训练坏了，当前模型不具备任何判别能力。因为它对任何的输出都是0.5，可能或者不可能。

主要参数：

• weight:各类别的loss设置权值，在公式中如下，如果我们想让第0类的loss更大点，让模型更关注第0类，我们可以把它的weight设置为1.2
• ignore_index:忽略某个类别，不计算Loss
• reduction:计算模式，可为none/sum/mean
  
  none：逐个元素计算
  
  sum：所有元素求和，返回标量
  
  mean：加权平均，返回标量
  
  nn.CrossEntropyLoss(weight=None,size_average=None,ignore_index=-100,reduce=None,reduction='mean')

交叉熵的计算公式如下：

\[x是概率值，class是类别值
\\H(P,Q)=\sum^{N}_{i=1}P(x_i)logQ(x_i)\\
loss(x,class)=-log\Big(\frac{exp(x[class])}{\sum_j exp(x[j])} \Big)=-x[class]+log\Big(\sum_j exp(x[j]) \Big)\\
softmax归一化=\frac{exp(x[class])}{\sum_j exp(x[j])}\\
将这一个神经元的输出值归一化到一个概率取值区间。
\]

1. NLL/BCE/BCEWithLogits Loss

nn.NLLLoss

功能：实现负对数似然函数中的负号功能

主要参数：

• weight:各类别的Loss设置权值
• ignore_index:忽略某个类别
• reduction:计算模式，可为none/sum/mean

nn.NLLLoss(weight=None,size_average=None,ignore_index=-100,reduce=None,reduction='mean')

\[l(x,y)=L=\{l_1,...,l_N\}^T,l_n=-{w_{y_n}}x_{n,y_n}
\]

nn.BCELoss

功能：二分类交叉熵

注意事项：输入值取值在[0,1]

主要参数：

• weight:各类别的Loss设置权值
• ignore_index:忽略某个类别
• reduction:计算模式，可为none/sum/mean
  
  none-逐个元素计算
  
  sum-所有元素求和，返回标量
  
  mean-加权平均，返回标量

nn.BCELoss(weight=None,size_average=None,reduce=None,reduction='mean')

\[l_n = -w_n[y_n*log{x_n} +(1-y_n)*log(1-x_n) ]
\]

nn.BCEWithLogitsLoss

功能：结合Sigmoid与二分类交叉熵

注意事项：网络最后不加sigmoid函数

主要参数：

1. pos_weight:正样本的权值
2. weight:各类别的Loss设置权值
3. ignore_index:忽略某个类别
4. reduction:计算模式：none,sum,mean
   
   代码：

nn.BCEWithLogitsLoss(weight=None,size_average=None,reduce=None,reduction='mean',pos_weight=None)

\[l_n = -w_n[y_n * log(1- \sigma{(x_n)})]
\]