交叉熵損失函數是什么？

平滑函數。

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交叉熵損失函數，也稱為對數損失或者logistic損失。當模型產生了預測值之后，將對類別的預測概率與真實值（由0或1組成）進行不比較，計算所產生的損失，然后基于此損失設置對數形式的懲罰項。

在神經網絡中，所使用的Softmax函數是連續可導函數，這使得可以計算出損失函數相對于神經網絡中每個權重的導數（在《機器學習數學基礎》中有對此的完整推導過程和案例，這樣就可以相應地調整模型的權重以最小化損失函數。

擴展資料：

注意事項：

當預測類別為二分類時，交叉熵損失函數的計算公式如下圖，其中y是真實類別（值為0或1），p是預測類別的概率（值為0~1之間的小數）。

計算二分類的交叉熵損失函數的python代碼如下圖，其中esp是一個極小值，第五行代碼clip的目的是保證預測概率的值在0~1之間，輸出的損失值數組求和后，就是損失函數最后的返回值。

參考資料來源：百度百科-交叉熵

參考資料來源：百度百科-損失函數

怎樣用python構建一個卷積神經網絡

用keras框架較為方便

首先安裝anaconda，然后通過pip安裝keras

以下轉自wphh的博客。

#coding:utf-8

'''

GPU?run?command:

THEANO_FLAGS=mode=FAST_RUN,device=gpu,floatX=float32?python?cnn.py

CPU?run?command:

python?cnn.py

2016.06.06更新：

這份代碼是keras開發初期寫的，當時keras還沒有現在這么流行，文檔也還沒那么豐富，所以我當時寫了一些簡單的教程。

現在keras的API也發生了一些的變化，建議及推薦直接上keras.io看更加詳細的教程。

'''

#導入各種用到的模塊組件

from?__future__?import?absolute_import

from?__future__?import?print_function

from?keras.preprocessing.image?import?ImageDataGenerator

from?keras.models?import?Sequential

from?keras.layers.core?import?Dense,?Dropout,?Activation,?Flatten

from?keras.layers.advanced_activations?import?PReLU

from?keras.layers.convolutional?import?Convolution2D,?MaxPooling2D

from?keras.optimizers?import?SGD,?Adadelta,?Adagrad

from?keras.utils?import?np_utils,?generic_utils

from?six.moves?import?range

from?data?import?load_data

import?random

import?numpy?as?np

np.random.seed(1024)??#?for?reproducibility

#加載數據

data,?label?=?load_data()

#打亂數據

index?=?[i?for?i?in?range(len(data))]

random.shuffle(index)

data?=?data[index]

label?=?label[index]

print(data.shape[0],?'?samples')

#label為0~9共10個類別，keras要求格式為binary?class?matrices,轉化一下，直接調用keras提供的這個函數

label?=?np_utils.to_categorical(label,?10)

###############

#開始建立CNN模型

###############

#生成一個model

model?=?Sequential()

#第一個卷積層，4個卷積核，每個卷積核大小5*5。1表示輸入的圖片的通道,灰度圖為1通道。

#border_mode可以是valid或者full，具體看這里說明：

#激活函數用tanh

#你還可以在model.add(Activation('tanh'))后加上dropout的技巧:?model.add(Dropout(0.5))

model.add(Convolution2D(4,?5,?5,?border_mode='valid',input_shape=(1,28,28)))?

model.add(Activation('tanh'))

#第二個卷積層，8個卷積核，每個卷積核大小3*3。4表示輸入的特征圖個數，等于上一層的卷積核個數

#激活函數用tanh

#采用maxpooling，poolsize為(2,2)

model.add(Convolution2D(8,?3,?3,?border_mode='valid'))

model.add(Activation('tanh'))

model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2,?2)))

#第三個卷積層，16個卷積核，每個卷積核大小3*3

#激活函數用tanh

#采用maxpooling，poolsize為(2,2)

model.add(Convolution2D(16,?3,?3,?border_mode='valid'))?

model.add(Activation('relu'))

model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2,?2)))

#全連接層，先將前一層輸出的二維特征圖flatten為一維的。

#Dense就是隱藏層。16就是上一層輸出的特征圖個數。4是根據每個卷積層計算出來的：(28-5+1)得到24,(24-3+1)/2得到11，(11-3+1)/2得到4

#全連接有128個神經元節點,初始化方式為normal

model.add(Flatten())

model.add(Dense(128,?init='normal'))

model.add(Activation('tanh'))

#Softmax分類，輸出是10類別

model.add(Dense(10,?init='normal'))

model.add(Activation('softmax'))

#############

#開始訓練模型

##############

#使用SGD?+?momentum

#model.compile里的參數loss就是損失函數(目標函數)

sgd?=?SGD(lr=0.05,?decay=1e-6,?momentum=0.9,?nesterov=True)

model.compile(loss='categorical_crossentropy',?optimizer=sgd,metrics=["accuracy"])

#調用fit方法，就是一個訓練過程.?訓練的epoch數設為10，batch_size為100．

#數據經過隨機打亂shuffle=True。verbose=1，訓練過程中輸出的信息，0、1、2三種方式都可以，無關緊要。show_accuracy=True，訓練時每一個epoch都輸出accuracy。

#validation_split=0.2，將20%的數據作為驗證集。

model.fit(data,?label,?batch_size=100,?nb_epoch=10,shuffle=True,verbose=1,validation_split=0.2)

"""

#使用data?augmentation的方法

#一些參數和調用的方法，請看文檔

datagen?=?ImageDataGenerator(

featurewise_center=True,?#?set?input?mean?to?0?over?the?dataset

samplewise_center=False,?#?set?each?sample?mean?to?0

featurewise_std_normalization=True,?#?divide?inputs?by?std?of?the?dataset

samplewise_std_normalization=False,?#?divide?each?input?by?its?std

zca_whitening=False,?#?apply?ZCA?whitening

rotation_range=20,?#?randomly?rotate?images?in?the?range?(degrees,?0?to?180)

width_shift_range=0.2,?#?randomly?shift?images?horizontally?(fraction?of?total?width)

height_shift_range=0.2,?#?randomly?shift?images?vertically?(fraction?of?total?height)

horizontal_flip=True,?#?randomly?flip?images

vertical_flip=False)?#?randomly?flip?images

#?compute?quantities?required?for?featurewise?normalization?

#?(std,?mean,?and?principal?components?if?ZCA?whitening?is?applied)

datagen.fit(data)

for?e?in?range(nb_epoch):

print('-'*40)

print('Epoch',?e)

print('-'*40)

print("Training...")

#?batch?train?with?realtime?data?augmentation

progbar?=?generic_utils.Progbar(data.shape[0])

for?X_batch,?Y_batch?in?datagen.flow(data,?label):

loss,accuracy?=?model.train(X_batch,?Y_batch,accuracy=True)

progbar.add(X_batch.shape[0],?values=[("train?loss",?loss),("accuracy:",?accuracy)]?)

"""

正則化項L1和L2的直觀理解及L1不可導處理

正則化（Regularization）

機器學習中幾乎都可以看到損失函數后面會添加一個額外項，常用的額外項一般有兩種，一般英文稱作 ?1-norm 和 ?2-norm ，中文稱作 L1正則化 和 L2正則化 ，或者 L1范數 和 L2范數 。

L1正則化和L2正則化可以看做是損失函數的懲罰項。所謂『懲罰』是指對損失函數中的某些參數做一些限制。對于線性回歸模型，使用L1正則化的模型建叫做Lasso回歸，使用L2正則化的模型叫做Ridge回歸（嶺回歸）。下圖是Python中Lasso回歸的損失函數，式中加號后面一項α||w||1即為L1正則化項。

下圖是Python中Ridge回歸的損失函數，式中加號后面一項α||w||22即為L2正則化項。

一般回歸分析中回歸w表示特征的系數，從上式可以看到正則化項是對系數做了處理（限制）。 L1正則化和L2正則化的說明如下：

L1正則化是指權值向量w中各個元素的 絕對值之和 ，通常表示為||w||1

L2正則化是指權值向量w中各個元素的 平方和然后再求平方根 （可以看到Ridge回歸的L2正則化項有平方符號），通常表示為||w||2

一般都會在正則化項之前添加一個系數，Python中用α表示，一些文章也用λ表示。這個系數需要用戶指定。

那添加L1和L2正則化有什么用？ 下面是L1正則化和L2正則化的作用 ，這些表述可以在很多文章中找到。

L1正則化可以產生稀疏權值矩陣，即產生一個稀疏模型，可以用于特征選擇

L2正則化可以防止模型過擬合（overfitting）；一定程度上，L1也可以防止過擬合

稀疏模型與特征選擇

上面提到L1正則化有助于生成一個稀疏權值矩陣，進而可以用于特征選擇。為什么要生成一個稀疏矩陣？

稀疏矩陣指的是很多元素為0，只有少數元素是非零值的矩陣，即得到的線性回歸模型的大部分系數都是0.

通常機器學習中特征數量很多，例如文本處理時，如果將一個詞組（term）作為一個特征，那么特征數量會達到上萬個（bigram）。在預測或分類時，那么多特征顯然難以選擇，但是如果代入這些特征得到的模型是一個稀疏模型，表示只有少數特征對這個模型有貢獻，絕大部分特征是沒有貢獻的，或者貢獻微小（因為它們前面的系數是0或者是很小的值，即使去掉對模型也沒有什么影響），此時我們就可以只關注系數是非零值的特征。這就是稀疏模型與特征選擇的關系。

L1和L2正則化的直觀理解

這部分內容將解釋 為什么L1正則化可以產生稀疏模型（L1是怎么讓系數等于零的） ，以及 為什么L2正則化可以防止過擬合 。

L1正則化和特征選擇

假設有如下帶L1正則化的損失函數：

J=J0+α∑w|w|(1)

其中J0是原始的損失函數，加號后面的一項是L1正則化項，α是正則化系數。注意到L1正則化是權值的 絕對值之和 ，J是帶有絕對值符號的函數，因此J是不完全可微的。機器學習的任務就是要通過一些方法（比如梯度下降）求出損失函數的最小值。當我們在原始損失函數J0后添加L1正則化項時，相當于對J0做了一個約束。令L=α∑w|w|，則J=J0+L，此時我們的任務變成 在L約束下求出J0取最小值的解 。考慮二維的情況，即只有兩個權值w1和w2，此時L=|w1|+|w2|對于梯度下降法，求解J0的過程可以畫出等值線，同時L1正則化的函數L也可以在w1w2的二維平面上畫出來。如下圖：

圖1? L1正則化

圖中等值線是J0的等值線，黑色方形是L函數的圖形。在圖中，當J0等值線與L圖形首次相交的地方就是最優解。上圖中J0與L在L的一個頂點處相交，這個頂點就是最優解。注意到這個頂點的值是(w1,w2)=(0,w)。可以直觀想象，因為L函數有很多『突出的角』（二維情況下四個，多維情況下更多），J0與這些角接觸的機率會遠大于與L其它部位接觸的機率，而在這些角上，會有很多權值等于0，這就是為什么L1正則化可以產生稀疏模型，進而可以用于特征選擇。

而正則化前面的系數α，可以控制L圖形的大小。α越小，L的圖形越大（上圖中的黑色方框）；α越大，L的圖形就越小，可以小到黑色方框只超出原點范圍一點點，這是最優點的值(w1,w2)=(0,w)中的w可以取到很小的值。

類似，假設有如下帶L2正則化的損失函數：

J=J0+α∑ww2(2)

同樣可以畫出他們在二維平面上的圖形，如下：

圖2? L2正則化

二維平面下L2正則化的函數圖形是個圓，與方形相比，被磨去了棱角。因此J0與L相交時使得w1或w2等于零的機率小了許多，這就是為什么L2正則化不具有稀疏性的原因。

L2正則化和過擬合

擬合過程中通常都傾向于讓權值盡可能小，最后構造一個所有參數都比較小的模型。因為一般認為參數值小的模型比較簡單，能適應不同的數據集，也在一定程度上避免了過擬合現象。可以設想一下對于一個線性回歸方程，若參數很大，那么只要數據偏移一點點，就會對結果造成很大的影響；但如果參數足夠小，數據偏移得多一點也不會對結果造成什么影響，專業一點的說法是『抗擾動能力強』。

那為什么L2正則化可以獲得值很小的參數？

以線性回歸中的梯度下降法為例。假設要求的參數為θ，hθ(x)是我們的假設函數，那么線性回歸的代價函數如下：

J(θ)=12m∑i=1m(hθ(x(i))?y(i))(3)

那么在梯度下降法中，最終用于迭代計算參數θ的迭代式為：

θj:=θj?α1m∑i=1m(hθ(x(i))?y(i))x(i)j(4)

其中α是learning rate. 上式是沒有添加L2正則化項的迭代公式，如果在原始代價函數之后添加L2正則化，則迭代公式會變成下面的樣子：

θj:=θj(1?αλm)?α1m∑i=1m(hθ(x(i))?y(i))x(i)j(5)

其中 λ就是正則化參數 。從上式可以看到，與未添加L2正則化的迭代公式相比，每一次迭代，θj都要先乘以一個小于1的因子，從而使得θj不斷減小，因此總得來看，θ是不斷減小的。

最開始也提到L1正則化一定程度上也可以防止過擬合。之前做了解釋，當L1的正則化系數很小時，得到的最優解會很小，可以達到和L2正則化類似的效果。

正則化參數的選擇

L1正則化參數

通常越大的λ可以讓代價函數在參數為0時取到最小值。下面是一個簡單的例子，這個例子來自 Quora上的問答 。為了方便敘述，一些符號跟這篇帖子的符號保持一致。

假設有如下帶L1正則化項的代價函數：

F(x)=f(x)+λ||x||1

其中x是要估計的參數，相當于上文中提到的w以及θ. 注意到L1正則化在某些位置是不可導的，當λ足夠大時可以使得F(x)在x=0時取到最小值。如下圖：

圖3 L1正則化參數的選擇

分別取λ=0.5和λ=2，可以看到越大的λ越容易使F(x)在x=0時取到最小值。

L2正則化參數

從公式5可以看到，λ越大，θj衰減得越快。另一個理解可以參考圖2，λ越大，L2圓的半徑越小，最后求得代價函數最值時各參數也會變得很小。

Reference

過擬合的解釋：

正則化的解釋：

正則化的解釋：

正則化的數學解釋（一些圖來源于這里）：

原文參考：blog.csdn.net/jinping_shi/article/details/52433975

從零開始用Python構建神經網絡

從零開始用Python構建神經網絡

動機：為了更加深入的理解深度學習，我們將使用 python 語言從頭搭建一個神經網絡，而不是使用像 Tensorflow 那樣的封裝好的框架。我認為理解神經網絡的內部工作原理，對數據科學家來說至關重要。

這篇文章的內容是我的所學，希望也能對你有所幫助。

神經網絡是什么?

介紹神經網絡的文章大多數都會將它和大腦進行類比。如果你沒有深入研究過大腦與神經網絡的類比，那么將神經網絡解釋為一種將給定輸入映射為期望輸出的數學關系會更容易理解。

神經網絡包括以下組成部分

? 一個輸入層，x

? 任意數量的隱藏層

? 一個輸出層，?

? 每層之間有一組權值和偏置，W and b

? 為隱藏層選擇一種激活函數，σ。在教程中我們使用 Sigmoid 激活函數

下圖展示了 2 層神經網絡的結構(注意：我們在計算網絡層數時通常排除輸入層)

2 層神經網絡的結構

用 Python 可以很容易的構建神經網絡類

訓練神經網絡

這個網絡的輸出 ? 為：

你可能會注意到，在上面的等式中，輸出 ? 是 W 和 b 函數。

因此 W 和 b 的值影響預測的準確率. 所以根據輸入數據對 W 和 b 調優的過程就被成為訓練神經網絡。

每步訓練迭代包含以下兩個部分:

? 計算預測結果 ?，這一步稱為前向傳播

? 更新 W 和 b,，這一步成為反向傳播

下面的順序圖展示了這個過程：

前向傳播

正如我們在上圖中看到的，前向傳播只是簡單的計算。對于一個基本的 2 層網絡來說，它的輸出是這樣的：

我們在 NeuralNetwork 類中增加一個計算前向傳播的函數。為了簡單起見我們假設偏置 b 為0：

但是我們還需要一個方法來評估預測結果的好壞(即預測值和真實值的誤差)。這就要用到損失函數。

損失函數

常用的損失函數有很多種，根據模型的需求來選擇。在本教程中，我們使用誤差平方和作為損失函數。

誤差平方和是求每個預測值和真實值之間的誤差再求和，這個誤差是他們的差值求平方以便我們觀察誤差的絕對值。

訓練的目標是找到一組 W 和 b，使得損失函數最好小，也即預測值和真實值之間的距離最小。

反向傳播

我們已經度量出了預測的誤差(損失)，現在需要找到一種方法來傳播誤差，并以此更新權值和偏置。

為了知道如何適當的調整權值和偏置，我們需要知道損失函數對權值 W 和偏置 b 的導數。

回想微積分中的概念，函數的導數就是函數的斜率。

梯度下降法

如果我們已經求出了導數，我們就可以通過增加或減少導數值來更新權值 W 和偏置 b(參考上圖)。這種方式被稱為梯度下降法。

但是我們不能直接計算損失函數對權值和偏置的導數，因為在損失函數的等式中并沒有顯式的包含他們。因此，我們需要運用鏈式求導發在來幫助計算導數。

鏈式法則用于計算損失函數對 W 和 b 的導數。注意，為了簡單起見。我們只展示了假設網絡只有 1 層的偏導數。

這雖然很簡陋，但是我們依然能得到想要的結果—損失函數對權值 W 的導數(斜率)，因此我們可以相應的調整權值。

現在我們將反向傳播算法的函數添加到 Python 代碼中

為了更深入的理解微積分原理和反向傳播中的鏈式求導法則，我強烈推薦 3Blue1Brown 的如下教程：

Youtube：

整合并完成一個實例

既然我們已經有了包括前向傳播和反向傳播的完整 Python 代碼，那么就將其應用到一個例子上看看它是如何工作的吧。

神經網絡可以通過學習得到函數的權重。而我們僅靠觀察是不太可能得到函數的權重的。

讓我們訓練神經網絡進行 1500 次迭代，看看會發生什么。 注意觀察下面每次迭代的損失函數，我們可以清楚地看到損失函數單調遞減到最小值。這與我們之前介紹的梯度下降法一致。

讓我們看看經過 1500 次迭代后的神經網絡的最終預測結果：

經過 1500 次迭代訓練后的預測結果

我們成功了!我們應用前向和方向傳播算法成功的訓練了神經網絡并且預測結果收斂于真實值。

注意預測值和真實值之間存在細微的誤差是允許的。這樣可以防止模型過擬合并且使得神經網絡對于未知數據有著更強的泛化能力。

下一步是什么?

幸運的是我們的學習之旅還沒有結束，仍然有很多關于神經網絡和深度學習的內容需要學習。例如：

? 除了 Sigmoid 以外，還可以用哪些激活函數

? 在訓練網絡的時候應用學習率

? 在面對圖像分類任務的時候使用卷積神經網絡

我很快會寫更多關于這個主題的內容，敬請期待!

最后的想法

我自己也從零開始寫了很多神經網絡的代碼

雖然可以使用諸如 Tensorflow 和 Keras 這樣的深度學習框架方便的搭建深層網絡而不需要完全理解其內部工作原理。但是我覺得對于有追求的數據科學家來說，理解內部原理是非常有益的。

這種練習對我自己來說已成成為重要的時間投入，希望也能對你有所幫助

標題名稱：包含python中的損失函數的詞條
網站鏈接：http://m.newbst.com/article10/hseego.html

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