深度學習損失函數的方法（深度學習入門教程）

2023-04-17 08:50:06

損失函數（loss function）又叫做代價函數（cost function），是用來評估模型的預測值與真實值不一致的程度，也是神經網絡中優化的目標函數，神經網絡訓練或者優化的過程就是最小化損失函數的過程，損失函數越小，說明模型的預測值就越接近真是值，模型的健壯性也就越好。

常見的損失函數有以下幾種：

0-1損失函數是最為簡單的一種損失函數，多適用於分類問題中，如果預測值與目標值不相等，說明預測錯誤，輸出值為1；如果預測值與目標值相同，說明預測正確，輸出為0，言外之意沒有損失。其數學公式可表示為：

由於0-1損失函數過於理想化、嚴格化，且數學性質不是很好，難以優化，所以在實際問題中，我們經常會用以下的損失函數進行代替。

感知損失函數是對0-1損失函數的改進，它並不會像0-1損失函數那樣嚴格，哪怕預測值為0.99，真實值為1，都會認為是錯誤的；而是給一個誤差區間，只要在誤差區間內，就認為是正確的。其數學公式可表示為：

顧名思義，平方損失函數是指預測值與真實值差值的平方。損失越大，說明預測值與真實值的差值越大。平方損失函數多用於線性回歸任務中，其數學公式為：

接下來，我們延伸到樣本個數為N的情況，此時的平方損失函數為：

Hinge損失函數通常適用於二分類的場景中，可以用來解決間隔最大化的問題，常應用於著名的SVM算法中。其數學公式為：

其中在上式中，t是目標值{-1， 1}，y為預測值的輸出，取值範圍在（-1，1）之間。

對數損失函數也是常見的一種損失函數，常用於邏輯回歸問題中，其標準形式為：

上式中，y為已知分類的類別，x為樣本值，我們需要讓概率p(y|x)達到最大值，也就是說我們要求一個參數值，使得輸出的目前這組數據的概率值最大。因為概率P(Y|X)的取值範圍為[0,1]，log(x)函數在區間[0,1]的取值為負數，所以為了保證損失值為正數要在log函數前加負號。

交叉熵損失函數本質上也是一種對數損失函數，常用於多分類問題中。其數學公式為：

注意：公式中的x表示樣本，y代表預測的輸出，a為實際輸出，n表示樣本總數量。交叉熵損失函數常用於當sigmoid函數作為激活函數的情景，因為它可以完美解決平方損失函數權重更新過慢的問題。