《深度学习》—— 神经网络模型中的损失函数及正则化惩罚和梯度下降

文章目录

前言

  • 在神经网络中,损失函数正则化惩罚梯度下降是三个关键的概念,它们共同作用于网络的训练过程,以提升网络的性能和泛化能力。
  • 神经网络模型结构如下图所示:
  • 在构建好一个神经网络模型后,为了让模型得出的结果更加的准确,那么必须对模进行训练,找到最接近真实结果的模型
  • 定义损失函数用来判断模型预测的结果和真实值的误差,在对损失函数添加正则化惩罚项,提高对输入数据的拟合效果,达到好的泛化能力
  • 为了达到最小的误差值,需要运用梯度下降的方法来找到模型中最优的权重参数

一、损失函数

  • 损失函数是用来评估神经网络预测值与实际值之间差异的函数 。通过最小化损失函数的值,网络可以学习到如何更好地进行预测。不同类型的任务需要不同类型的损失函数,常见的损失函数包括:
    • 交叉熵损失函数
    • 均方差损失函数
    • 0-1损失函数
    • 平均绝对差损失函数
    • 合页损失函数
  • 示例:多分类的情况下,如何计算损失值呢?
    • softmax交叉熵损失函数多用于实现分类问题,用于多分类公式如下:
      • yi表示第 i 个预测的结果值
    • 下面是猫、狗、羊的照片,标签分别为0、1、2
    • 如果我们传入猫的照片进行训练,训练过程如下图所示:
    • 首先先对训练后的各目标结果进行e的指数倍放大
    • 再将其值进行归一化,得到各个结果的概率
    • 最后通过损失函数计算出每个标签结果上的损失值
    • 由于我们输入的是猫的照片进行训练,所以只需要关注第一个输出神经元的结果,如果损失值越小,说明越靠近真实结果,模型的效果也就越好

二、正则化惩罚

  • 正则化是一种减少过拟合的技术 ,它通过向损失函数中添加一个正则化项来实现。正则化项通常是对模型参数(如权重)的某种形式的惩罚,旨在限制模型的复杂度,从而提高其泛化能力。常见的正则化方法包括:

    • L1正则化:向损失函数中添加权重绝对值的和作为惩罚项。L1正则化有助于产生稀疏的权重矩阵,即许多权重为零,这有助于模型的解释性,并可能减少计算量。

    • 公式如下:

    • L2正则化:向损失函数中添加权重平方和的一半作为惩罚项。L2正则化有助于减小权重的值,从而防止模型过于复杂,避免过拟合。

    • 公式如下:

      • 各参数的含义与L1正则化中的相同
  • 下面通过一个实例来说明为什么要增加正则化惩罚:

    • w1和w2与输入的乘积都为1,但w2 与每一个输入数据进行计算后都有数据,使得w2会学习到每一个特征信息。
    • 而w1只和第1个输入信息有关系,容易出现过拟合现象,因此w2的效果会比w1 好
    • 因此需要引入正则化惩罚项来避免第一种权重值的情况

三、梯度下降

  • 损失函数具有良好的梯度信息,使得优化算法(如梯度下降)能够有效地更新模型参数
  • 在神经网络中,我们希望通过调整网络参数(如权重和偏置)来降低损失函数的值。梯度下降算法通过计算损失函数关于网络参数的梯度,并沿着梯度的反方向更新参数,从而逐步逼近损失函数的最小值。
  • 具体步骤如下:
    • 1.计算梯度:首先,需要计算损失函数关于每个参数的梯度。这通常通过反向传播算法(Backpropagation)来实现,该算法从网络的输出层开始,逐层计算梯度,直到到达输入层。
    • 2.更新参数 :然后,使用计算得到的梯度来更新网络的参数。更新规则通常遵循以下形式:
    • 3.重复迭代:不断重复上述步骤,直到满足某个停止条件(如达到最大迭代次数、损失函数值低于某个阈值或梯度接近于零)
  • 用下图来解释梯度下降的过程:
    • 参数取不同的初始值,可能会得到不同的最小损失值,但是每个初始的参数只是得到了此模型局部的最小损失值
    • 就好像当你处在一个谷底时,只会认为此时的位置是最低的,但并不知道其他的低谷处还有更低的位置
    • 梯度下降就是通过不断地寻找梯度方向和计算得到不同的损失值,直到找到最优和满足条件的值为止
相关推荐
江畔柳前堤1 小时前
roLabelImg 详细安装教程
开发语言·人工智能·后端·云原生
阿里云大数据AI技术1 小时前
分链路差异化设计的DSP准实时数仓|钛动科技基于阿里云实时计算 Flink 版 + DLF Paimon + EMR Serverless StarRocks 的实践
人工智能·flink
陕西企来客1 小时前
2026年7月AI智能搜索曝光趋势研判
大数据·人工智能·机器学习·ai智能搜索曝光
阿里云大数据AI技术2 小时前
从算力到智能体,面向 Agentic AI 的基础设施演进
人工智能·agent
hangyuekejiGEO2 小时前
GEO技术服务选型指南
大数据·人工智能·python
阿里云大数据AI技术3 小时前
EMR Serverless Spark AI Function 的双维降本实践
人工智能·sql·spark
维基框架3 小时前
GitHub源码处理提速 一趟扫描反而更慢
人工智能·github
冬奇Lab3 小时前
代码库知识库系列(05):向量检索 vs 知识图谱——加了调用图并没有变更好
人工智能
AKAMAI3 小时前
你的源服务器可能是你做出的最昂贵决定
运维·人工智能·云计算
冬奇Lab3 小时前
【无标题】
人工智能·开源