• 03.4 softmax回归


    3.4. softmax回归

    回归可以用于预测多少的问题。 比如预测房屋被售出价格,或者棒球队可能获得的胜场数,又或者患者住院的天数。
    事实上,我们也对分类问题感兴趣:不是问“多少”,而是问“哪一个”:

    • 某个电子邮件是否属于垃圾邮件文件夹?

    • 某个用户可能注册或不注册订阅服务?

    • 某个图像描绘的是驴、狗、猫、还是鸡?

    • 某人接下来最有可能看哪部电影?

    通常,机器学习实践者用分类这个词来描述两个有微妙差别的问题:

    1. 我们只对样本的“硬性”类别感兴趣,即属于哪个类别;
    2. 我们希望得到“软性”类别,即得到属于每个类别的概率。

    这两者的界限往往很模糊。其中的一个原因是:即使我们只关心硬类别,我们仍然使用软类别的模型

    3.4.1. 分类问题

    输入一个2X2灰度图像,标量表示像素值,每个图像对应四个特征,假设每个图像属于类别“猫”,“鸡”和“狗”中的一个。

    3.4.2. 网络架构

    一个有多个输出的模型,每个类别对应一个输出。
    与线性回归一样,softmax回归也是一个单层神经网络,softmax回归的输出层也是全连接层

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2udYNxCW-1662219628101)(https://zh.d2l.ai/_images/softmaxreg.svg)]

    3.4.3. 全连接层的参数开销

    全连接层是“完全”连接的,可能有很多可学习的参数

    3.4.4. softmax运算

    将优化参数以最大化观测数据的概率。 为了得到预测结果,我们将设置一个阈值,如选择具有最大概率的标签

    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(linear model)

    3.4.5. 小批量样本的矢量化

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

    3.4.6. 损失函数

    需要一个损失函数来度量预测的效果,将使用最大似然估计.

    3.4.6.1. 对数似然

    交叉熵损失(cross-entropy loss)

    3.4.6.2. softmax及其导数
    3.4.6.3. 交叉熵损失

    是分类问题最常用的损失之一

    3.4.7. 信息论基础

    信息论(information theory)涉及编码、解码、发送以及尽可能简洁地处理信息或数据。

    3.4.7.1. 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,该数值被称为分布的熵(entropy)。

    3.4.7.2. 信息量

    在观察一个事件时,并赋予它(主观)概率。
    我们赋予一个事件较低的概率时,我们的惊异会更大,该事件的信息量也就更大。

    3.4.7.3. 重新审视交叉熵

    从两方面来考虑交叉熵分类目标:
    (i)最大化观测数据的似然;
    (ii)最小化传达标签所需的惊异。

    3.4.8. 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。

    3.4.9. 小结

    • softmax运算获取一个向量并将其映射为概率。
    • softmax回归适用于分类问题,它使用了softmax运算中输出类别的概率分布。
    • 交叉熵是一个衡量两个概率分布之间差异的很好的度量,它测量给定模型编码数据所需的比特数。
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