【2024年】第3天 神经网络模块(nn)中的损失函数（pytorch）

• 损失函数是决定模型学习质量的关键。
• 无论什么样的网络结构，如果使用的损失函数不正确，那么最终将难以训练出正确的模型。
• 损失函数主要是用来计算输出值和目标值之间的误差的。
• 该误差在训练模型中，配合反向传播使用。
• 为了在反向传播中找到最小值，要求损失函数必须是可导的。

1. L1损失函数

• L1损失函数线计算模型的输出y’和目标y之间差的绝对值，再将绝对值结果进行平均值计算。

loss(y', y) = mean(|y' - y|)

• L1损失函数是以类的形式封装的。
• 也就是说，需要对其先进行实例化再使用。

import torch
loss = torch.nn.L1Loss()(pre, label)

• pre代表公式中的y’，label代表公式中的y。
• 在对L1损失函数进行实例化时，还可以传入size_average。
• 如果size_average为False，那么不进行均值计算。

2.均值平方差(MSE)损失函数

• 均值平方差损失(mean Squared Error, MSE)也称"均方误差"。
• 在神经网络中主要是表达预测值和真实值之间的差异，在数理统计中，均方误差是指参数估计值和参数真值之差的平方期望值。
• MSE的数学定义如下，主要是对每一个真实值和预测值相减后的平方取平均值。

MSE= 1/n ${\sum }_{t=1}^n$ (observed_t - predicted_t)²

• MSE的值越小，表明模型越好。
• 类似的损失算法还有均方根误差(ROOt MSE, RMSE; 将MSE开平发)、平方均值误差(Mean Absolute Deviation, MAD，对一个真实值和预测值相减后的绝对值取平均值。
• 在神经网络计算中，预测值要与真实值在同样的数据分布内。
• 假设将预测值输入Sigmoid激活函数后得到取值范围规定在0到1之间，那么真实值也应该归一化至0到1之间。
• 这样在进行损失计算时才会有更好地效果。
• MSE损失函数是以类的形式封装的。
• 也就是说，需要先对其进行实例化再使用。

import torch
loss = torch.nn.MSELoss()(pre, label)

• pre代表模型输出的预测值，label代表输入样本对应的标签。
• 在对MSELoss类进行实例化时，还可以传入参数size_average。如果size_average为False，那么不进行均值计算。

3.交叉熵损失(CrossEntropyLoss)函数

• 交叉熵(cross entropy)也是损失函数的一种，可以用来计算学习模型分布与训练分布之间的差异。
• 他一般用在分类问题上，表达的意思为预测输入样本属于某一类的概率。
• 交叉熵的数学定义如下，y代表真实值分类(0或1)，a代表预测值。
  c = - 1/n ${\sum }_x$ [xIna + (1-x)In(1-a)]
• 交叉熵的值越小代表预测结果越准。
• 这里用于计算的a也是通过分布统一化处理的，或者是经过Sigmoid函数激活的，取值范围为0-1.
• 如果真实值和预测值都为1，那么前面一项yIn(a)就是1xIn(1)，也就是0.
• 同时，后一项(1-y)In(1-a)也就是0xIn(0)，约定该值等于0.

import torch
loss = torch.nn.CrossEntropyLoss()(pre, label)

• CrossEntropyLoss损失函数是以类的形式封装的。
• 也就是说，需要对其先进行实例化再使用。
• pre代表模型输出的预测值，label代表输入样本对应的标签。
• 在对CrossEntropyLoss类进行实例化时，还可以传入参数size_average。
• 如果size_average为False，那么不进行均值计算。

4. 加权交叉熵

• 加权交叉熵是指交叉熵的基础上将c = - 1/n ${\sum }_x$ [xIna + (1-x)In(1-a)] 中括号中的第一项乘以系数(加权)，以增加或减少正样本在计算交叉熵时的损失值。
• 在训练一个多类分类器时，如果训练样本很不均衡的话，那么可以通过加权交叉熵有效的控制训练模型分类的平衡性。

import torch
loss = torch.nn.CrossEntropyLoss(weight)(pre, label)

• 参数weight是一个一维张量，该张量中含有n(即分类数)个元素，即为每个类分配不同的权重比例。

5. 其他的损失函数

• pytorch中还封装了其他的损失函数。

1. SmoothLyLoss：平滑版的L1损失函数。
   • 此损失函数对于异常点的敏感性不如MSE-loss。
   • 在某些情况下(如Fast R -CNN模型中)，它可以防止梯度"爆炸"。
   • 这个损失函数也称为Huber loss。
2. NLLLoss：负对数似然损失函数，在分类任务中经常使用。
3. NLLLoss2d：计算图片的负对数似然损失函数，即对每个像素计算NLLLoss。
4. KLDivLoss：计算KL散度损失函数。
5. BCELoss：计算真实标签与预测值之间的二进制交叉熵。
6. BCEWithLogitsLoss：带有Sigmoid激活函数层的BCELoss，即计算target与Sigmoid(output)之间的二进制交叉熵。
7. MarginRankingLoss：按照一个特定的方法计算损失。
   • 计算给定输入x₁和x₂（一维张量）和对应的标签y（一维张量，取值为-1和1）之间的损失值。
   • 如果y=1，那么第一个输入的值应该大于第二个输入的值。
   • 如果y=-1，则相反。
8. HingeEmbeddingLoss：用来测量两个输入是否相似，使用L1距离。
   • 计算给定一个输入x(二维张量)和对应的标签y（一维张量，取值为-1和1）之间的损失值
9. MultiLabelMarginLoss：计算多标签分类的基于间隔的损失函数(hinge loss)。
   • 计算给定一个输入x(二维张量)和对应的标签y（一维张量，取值为-1和1）之间的损失值。
   • 其中y表示最小批次中样本类别的索引。
10. SoftMarginLoss：用来优化二分类的逻辑损失。
    • 计算给定一个输入x(二维张量)和对应的标签y（一维张量，取值为-1和1）之间的损失值。
11. MultiLabelSoftMarginLoss：基于输入x（二维张量）和目标y（二维张量）的最大交叉熵，优化多标签分类（one-versus-all）的损失。
12. CosineEmbeddingLoss：使用余弦距离测量两个输入是否相似，一般用于非线性emdedding或者半监督学习。
13. MultiMarginLoss：用来计算多分类任务的hinge loss。
    • 输入是x(二维张量)和y（一维张量）。
    • 其中y代表类别的索引。

6. 总结：损失算法的选取

• 用输入标签数据的类型来选取损失函数：
  1. 如果输入是无界的实数值，那么损失函数使用平方差。
  2. 如果输入标签是位矢量（分类标识），那么使用交叉熵会更合适。
• 当然还有一些特殊的损失函数，是根据样本和任务的特性，来使用相应的损失函数。
• 我们的损失函数不止可以使用类的方式实现，还可以直接以函数的形式呈现，在torch.nn.functional模块中，可以找到对应的定义。