从0开始深度学习（8）——softmax回归

1 分类问题

深度学习从大方向上来说，就是回归预测和分类问题。

假设输入一个$2\ast 2$的灰度图像，可能属于“鸡、猫、狗”三个类别中的一个，那如何在计算机中表示标签呢？最常见的想法是 y = { 1 , 2 , 3 } y= \{1,2,3\} y={1,2,3}，其中的数字分别代表 { 狗 , 猫 , 鸡 } \{ 狗,猫,鸡 \} {狗,猫,鸡}。

但是一般的分类问题并不与类别之间的自然顺序有关，所以会使用one-hot编码， 即类别对应的分量设置为1，其他所有分量设置为0。

在我们的例子中，标签将是一个三维向量， 其中$(0,1,0)$对应于“猫”、$(0,0,1)$对应于“鸡”、$(1,0,0)$对应于“狗”。

2 网络架构

为了估计所有可能类别的条件概率，我们需要一个有多个输出的模型，每个类别对应一个输出。

我们假设有4个特征和3个可能对的输出，所有有12个标量表示权重 $w$，3个标量表示偏置项 $b$，$o$ 是预测输出：

为了解决这种多分类问题，这里使用softmax网络：

softmax网络是一个有多个输入、多个输出的单层神经网络，我们使用向量表达式 $o=Wx+b$ 简洁的表达模型

3 全连接层的参数开销

具体来说，对于任何具有 $d$ 个输入和 $q$ 个输出的全连接层， 参数开销为 $O(qd)$ ，这个数字在实践中可能高得令人望而却步。

幸运的是，将 $d$ 个输入转换为 $q$ 个输出的成本可以减少到 $O(dq/n)$， 其中超参数 $n$ 可以由我们灵活指定。

4 softmax运算

我们希望模型最后输出的 $数据X$ 对应的 $各个标签$ 的是一个概率，然后把最大的概率标签视为我们最后的预测结果。要将输出视为概率，我们必须保证在任何数据上的输出都是非负的且总和为1。

此外，我们需要一个训练的目标函数，来激励模型精准地估计概率。 softmax函数会将每个元素转换为一个介于0和1之间的值，同时保证所有输出的概率总和为1，同时让模型保持可导的性质，公式如下：

$$P=\frac{e^{o_i}}{{\sum }_{j=1}^k{e}^{o_j}}$$

$o$是把输入的特征向量$x$经过线性变换得到的向量，长度为$k$。$P$表示输入向量$x$属于类别$i$的概率

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 小批量样本的矢量化

为了提高计算效率并充分利用GPU，我们通常会对小批量样本的数据执行矢量计算。

假设我们读取一个批量的样本 $X$，特征维度为 $d$，批量大小为 $n$，我们输出有 $q$ 个类别。

所以小批量样本的特征为$X\in {\mathbb{R}}^{n\times d}$，权重为$W\in {\mathbb{R}}^{d\times q}$，偏置为$W\in {\mathbb{R}}^{1\times q}$

所以softmax回归的矢量表达式为：

相对于一次处理一个样本， 小批量样本的矢量化使用了矩阵-向量乘法，可以充分利用GPU进行加速计算。

6 损失函数

在线性回归中，我们使用的是MSE作为损失函数，但之前那个例子是回归预测，这里是分类任务，所以这里使用最大似然估计，概念如下：

假设我们有一个概率模型 $P(x\mid \theta )$，其中 $x$ 是观测数据，$\theta$ 是模型的参数。我们的目标是找到参数 $\theta$ 的最优值，使得观测数据 $x$ 出现的概率最大。

6.1 对数似然

softmax函数会输出一个向量 $\hat{y}$，即“输入的 $x$ 对应的每个标签的条件概率”，例如 ${\hat{y}}_1=P(y=猫|X)$。

假设整个数据集 { X , Y } \{X,Y\} {X,Y}，其中索引为$i$的样本由特征向量$x^{(i)}$和one-hot编码$y^{(i)}$组成，所以我们可以将估计值和真实值进行比较：

表示在给定整个数据集的特征 $X$ 的情况下，标签 $Y$ 的概率等于每个样本中在给定该样本特征 $x^{(i)}$ 的情况下标签 $y^{(i)}$ 的概率之积。

我们要最大化 $P(Y|X)$ ,所以应该取负对数，因为取对数可以把累积转化为累加，同时因为对数函数是单调递增的，对概率取对数后再取负，最小化负对数似然就等价于最大化原始的概率，所以损失函数如下：

6.2 softmax及其导数

将softmax函数带入损失函数得到：
**注意：**因为是 $y$ 独热标签向量，即除了对应真实类别的那个位置为 $1$，其余位置都为 $0$，所以 ${\sum }_{j=1}^q{y}_i=1$

然后对损失函数求$o_j$的导数（为了计算梯度），步骤如下：

即

换句话说，这个导数是我们softmax模型分配的概率与实际发生的情况（由独热标签向量表示）之间的差异。

6.3 交叉熵损失

最后输出的是$(0.1,0.2,0.7)$，而不是$(0,0,1)$，所以所有标签分布的预期损失值，称为交叉熵损失（cross-entropy loss），它是分类问题最常用的损失之一。

下面将通过介绍信息论来帮助理解交叉熵损失

7 信息论基础

信息论（Information Theory）是研究信息的量化、存储、传输和处理的数学理论，涉及编码、解码、发送以及尽可能简洁地处理信息或数据。

7.1 熵

信息论的核心思想是量化数据中的信息内容。 在信息论中，该数值被称为分布 $P$ 的（entropy）。

对于一个随机变量 $X$ ，其概率分布为$P(X=j)=p(j)$，即一个事件 $X=j$ 的概率为$P(j)$，所以该事件的自信息量（表示一个事件发生所带来的信息量） 被定义为$I(j)=-logP(j)$。

之所以这样定义，是因为概率 $P(j)$ 越小，$-logP(j)$ 的值就越大，符合低概率事件带来高信息量的直观理解。

所以熵$H[P]$就是所有可能发生的事件的自信息量的期望:

7.2 重新审视交叉熵

交叉熵（Cross-Entropy）是信息论中的一个重要概念，用于衡量两个概率分布之间的差异。

假设有两个概率分布 $P$ 和 $Q$ ，其中 $P$ 表示真实分布，$Q$ 表示模型预测的分布，所以交叉熵分布$H(P,Q)$ 定义为：
$$H(P,Q)=\sum _{x}P(x)logQ(x)$$
$x$ 表示所有可能的事件或者类别。

8 模型预测和评估

在训练softmax回归模型后，给出任何样本特征，我们可以预测每个输出类别的概率。 通常我们使用预测概率最高的类别作为输出类别。 如果预测与实际类别（标签）一致，则预测是正确的。 在接下来的实验中，我们将使用精度（accuracy）来评估模型的性能。 精度等于正确预测数与预测总数之间的比率。

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