TensorFlow从0到1 - 14 - 交叉熵损失函数——防
通过上一篇 13 驯兽师:神经网络调教综述,对神经网络的调教有了一个整体印象,本篇从学习缓慢这一常见问题入手,引入交叉熵损失函数,并分析它是如何克服学习缓慢问题。
学习缓慢“严重错误”导致学习缓慢
回顾识别MNIST的网络架构,我们采用了经典的S型神经元,以及常见的基于均方误差(MSE)的二次函数作为损失函数。殊不知这种组合,在实际输出与预期偏离较大时,会造成学习缓慢。
简单的说,如果在初始化权重和偏置时,故意产生一个背离预期较大的输出,那么训练网络的过程中需要用很多次迭代,才能抵消掉这种背离,恢复正常的学习。这种现象与人类学习的经验相悖:对于明显的错误,人类能进行快速的修正。
为了看清楚这个现象,可以用一个S型神经元,从微观角度进行重现。这个神经元接受1个固定的输入“1”,期望经过训练后能输出“0”,因此待训练参数为1个权重w和1个偏置b,如下图:
单一神经元先观察一个“正常”初始化的情况。
令w=0.6,b=0.9,可认为其符合均值为0,标准差为1的正态分布。此时,输入1,输出0.82。接下来开始使用梯度下降法进行迭代训练,从Epoch-Cost曲线可以看到“损失”快速降低,到第100次时就很低了,到第300次迭代时已经几乎为0,符合预期,如下图:
正常的学习接下来换一种初始化策略。
将w和b都赋值为“2.0”。此时,输入1,输出为0.98——比之前的0.82偏离预期值0更远了。接下来的训练Epoch-Cost曲线显示200次迭代后“损失”依然很高,减少缓慢,而最后100次迭代才开始恢复正常的学习,如下图:
学习缓慢学习缓慢原因分析
单个样本情况下,基于均方误差的二次损失函数为:
B-N-F-8一个神经元的情况下就不用反向传播求导了,已知a = σ(z),z = wx + b,直接使用链式求导即可:
B-N-F-11将唯一的一个训练样本(x=1,y=0)代入,得到:
B-N-F-11-2观察σ(z)函数曲线会发现,当σ接近于1时,σ曲线特别的平坦,所以此处σ'(z)是一个非常小的值,由上式可推断C的梯度也会非常小,“下降”自然也就会变得缓慢。这种情况也成为神经元饱和。这就解释了前面初始的神经元输出a=0.98,为什么会比a=0.82学习缓慢那么多。
Sigmoid交叉熵损失函数
S型神经元,与二次均方误差损失函数的组合,一旦神经元输出发生“严重错误”,网络将陷入一种艰难而缓慢的学习“沼泽”中。
对此一个简单的策略就是更换损失函数,使用交叉熵损失函数可以明显的改善当发生“严重错误”时导致的学习缓慢,使神经网络的学习更符合人类经验——快速从错误中修正。
交叉熵损失函数定义如下:
交叉熵损失函数在证明它真的能避免学习缓慢之前,有必要先确认它是否至少可以衡量“损失”,后者并不显而易见。
一个函数能够作为损失函数,要符合以下两个特性:
- 非负;
- 当实际输出接近预期,那么损失函数应该接近0。
交叉熵全部符合。首先,实际输出a的取值范围为(0, 1),所以无论是lna还是ln(1-a)都是负数,期望值y的取值非0即1,因此中括号里面每项都是负数,再加上表达式最前面的一个负号,所以整体为非负。再者,当预期y为0时,如果实际输出a接近0时,C也接近0;当预期y为1时,如果实际输出a接近1,那么C也接近0。
接下来分析为什么交叉熵可以避免学习缓慢,仍然从求C的偏导开始。
单样本情况下,交叉熵损失函数可以记为:
交叉熵损失函数对C求w的偏导数:
B-N-F-12-2a = σ(z),将其代入:
B-N-F-12-3对于Sigmoid函数,有σ'(z) = σ(z)(1-σ(z)),所以上式中的σ'(z)被抵消了,得到:
B-N-F-12-4由此可见,C的梯度不再与σ'(z)有关,而与a-y相关,其结果就是:实际输出与预期偏离越大,梯度越大,学习越快。
对于偏置,同理有:
B-N-F-12-5更换损失函数为交叉熵后,回到之前学习缓慢的例子,重新训练,Epoch-Cost曲线显示学习缓慢的情况消失了。
学习缓慢消失推广到多神经元网络
前面的有效性证明是基于一个神经元所做的微观分析,将其推广到多层神经元网络也是很容易的。从分量的角度来看,假设输出神经元的预期值是y = y1,y2,...,实际输出aL = aL1,aL2,...,那么交叉熵损失函数计算公式如下:
交叉熵损失函数评价交叉熵损失,注意以下3点:
-
交叉熵无法改善隐藏层中神经元发生的学习缓慢。损失函数定义中的aL是最后一层神经元的实际输出,所以“损失”C针对输出层神经元的权重wLj求偏导数,可以产生抵消σ'(zLj)的效果,从而避免输出层神经元的学习缓慢问题。但是“损失”C对于隐藏层神经元的权重wL-1j求偏导,就无法产生抵消σ'(zL-1j)的效果。
-
交叉熵损失函数只对网络输出“明显背离预期”时发生的学习缓慢有改善效果,如果初始输出背离预期并不明显,那么应用交叉熵损失函数也无法观察到明显的改善。从另一个角度看,应用交叉熵损失是一种防御性策略,增加训练的稳定性。
-
应用交叉熵损失并不能改善或避免神经元饱和,而是当输出层神经元发生饱和时,能够避免其学习缓慢的问题。
小结
现有神经网络中存在一种风险:由于初始化或其他巧合因素,一旦出现输出与预期偏离过大,就会导致网络学习缓慢。本篇分析了该现象出现的原因,引入交叉熵损失函数,并推理证明了其有效性。
附完整代码
代码基于12 TF构建3层NN玩转MNIST中的tf_12_mnist_nn.py,修改了损失函数,TensorFlow提供了交叉熵的封装:
loss = tf.reduce_mean(tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(labels=y_, logits=z_3))
import argparse
import sys
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
import tensorflow as tf
FLAGS = None
def main(_):
# Import data
mnist = input_data.read_data_sets(FLAGS.data_dir, one_hot=True)
# Create the model
x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784])
W_2 = tf.Variable(tf.random_normal([784, 30]))
b_2 = tf.Variable(tf.random_normal([30]))
z_2 = tf.matmul(x, W_2) + b_2
a_2 = tf.sigmoid(z_2)
W_3 = tf.Variable(tf.random_normal([30, 10]))
b_3 = tf.Variable(tf.random_normal([10]))
z_3 = tf.matmul(a_2, W_3) + b_3
a_3 = tf.sigmoid(z_3)
# Define loss and optimizer
y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])
# loss = tf.reduce_mean(tf.norm(y_ - a_3, axis=1)**2) / 2
loss = tf.reduce_mean(tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(labels=y_, logits=z_3))
train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(3.0).minimize(loss)
sess = tf.InteractiveSession()
tf.global_variables_initializer().run()
# Train
best = 0
for epoch in range(30):
for _ in range(5000):
batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(10)
sess.run(train_step, feed_dict={x: batch_xs, y_: batch_ys})
# Test trained model
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(a_3, 1), tf.argmax(y_, 1))
accuracy = tf.reduce_sum(tf.cast(correct_prediction, tf.int32))
accuracy_currut = sess.run(accuracy, feed_dict={x: mnist.test.images,
y_: mnist.test.labels})
print("Epoch %s: %s / 10000" % (epoch, accuracy_currut))
best = (best, accuracy_currut)[best <= accuracy_currut]
# Test trained model
print("best: %s / 10000" % best)
if __name__ == '__main__':
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument('--data_dir', type=str, default='/MNIST/',
help='Directory for storing input data')
FLAGS, unparsed = parser.parse_known_args()
tf.app.run(main=main, argv=[sys.argv[0]] + unparsed)
下载 tf_14_mnist_nn_cross_entropy.py。
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