动手学深度学习-线性神经网络-softmax回归

接下来，我们要选择如何表示标签。我们有两个明显的选择：最直接的想法是选择y∈{1,2,3}，其中整数分别代表狗猫鸡{狗,猫,鸡}。这是在计算机上存储此类信息的有效方法。如果类别间有一些自然顺序，比如说我们试图预测婴儿儿童青少年青年人中年人老年人{婴儿,儿童,青少年,青年人,中年人,老年人}，那么将这个问题转变为回归问题，并且保留这种格式是有意义的。

但是一般的分类问题并不与类别之间的自然顺序有关。幸运的是，统计学家很早以前就发明了一种表示分类数据的简单方法：独热编码（one-hot encoding）。独热编码是一个向量，它的分量和类别一样多。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y将是一个三维向量，其中(1,0,0)对应于"猫"、(0,1,0)对应于"鸡"、(0,0,1)对应于"狗"：

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。为了解决线性模型的分类问题，我们需要和输出一样多的仿射函数 （affine function）。每个输出对应于它自己的仿射函数。在我们的例子中，由于我们有4个特征和3个可能的输出类别，我们将需要12个标量来表示权重（带下标的w）， 3个标量来表示偏置（带下标的b）。下面我们为每个输入计算三个未规范化的预测（logit）：o1、o2和o3。

我们可以用神经网络图图3.4.1来描述这个计算过程。与线性回归一样，softmax回归也是一个单层神经网络。由于计算每个输出o1、o2和o3取决于所有输入x1、x2、x3和x4，所以softmax回归的输出层也是全连接层。

为了更简洁地表达模型，我们仍然使用线性代数符号。通过向量形式表达为o=Wx+b，这是一种更适合数学和编写代码的形式。由此，我们已经将所有权重放到一个3×4矩阵中。对于给定数据样本的特征x，我们的输出是由权重与输入特征进行矩阵-向量乘法再加上偏置b得到的。

全连接层的参数开销

正如我们将在后续章节中看到的，在深度学习中，全连接层无处不在。然而，顾名思义，全连接层是"完全"连接的，可能有很多可学习的参数。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(dq)，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(dqn)，其中超参数n可以由我们灵活指定，以在实际应用中平衡参数节约和模型有效性 (Zhang et al., 2021)。

softmax运算

现在我们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。

我们希望模型的输出y^j可以视为属于类j的概率，然后选择具有最大输出值的类别argmaxjyj作为我们的预测。例如，如果y^1、y^2和y^3分别为0.1、0.8和0.1，那么我们预测的类别是2，在我们的例子中代表"鸡"。

然而我们能否将未规范化的预测o直接视作我们感兴趣的输出呢？答案是否定的。因为将线性层的输出直接视为概率时存在一些问题：一方面，我们没有限制这些输出数字的总和为1。另一方面，根据输入的不同，它们可以为负值。这些违反了上一部分中所说的概率基本公理。

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。例如，在分类器输出0.5的所有样本中，我们希望这些样本是刚好有一半实际上属于预测的类别。这个属性叫做校准（calibration）。

社会科学家邓肯·卢斯于1959年在选择模型 （choice model）的理论基础上发明的softmax函数正是这样做的： softmax函数能够将未规范化的预测变换为非负数并且总和为1，同时让模型保持可导的性质。为了完成这一目标，我们首先对每个未规范化的预测求幂，这样可以确保输出非负。为了确保最终输出的概率值总和为1，我们再让每个求幂后的结果除以它们的总和。如下式：

这里，对于所有的j总有0≤y^j≤1。因此，y^可以视为一个正确的概率分布。 softmax运算不会改变未规范化的预测o之间的大小次序，只会确定分配给每个类别的概率。因此，在预测过程中，我们仍然可以用下式来选择最有可能的类别。

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）。

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。假设我们读取了一个批量的样本X，其中特征维度（输入数量）为d，批量大小为n。此外，假设我们在输出中有q个类别。那么小批量样本的特征为X∈Rn×d，权重为W∈Rd×q，偏置为b∈R1×q。 softmax回归的矢量计算表达式为：

相对于一次处理一个样本，小批量样本的矢量化加快了和X和W的矩阵-向量乘法。由于X中的每一行代表一个数据样本，那么softmax运算可以按行（rowwise）执行：对于O的每一行，我们先对所有项进行幂运算，然后通过求和对它们进行标准化。在 (3.4.5)中， XW+b的求和会使用广播机制，小批量的未规范化预测O和输出概率Y^ 都是形状为n×q的矩阵。

损失函数

接下来，我们需要一个损失函数来度量预测的效果。我们将使用最大似然估计，这与在线性回归中的方法相同。

对数似然

softmax函数给出了一个向量y^，我们可以将其视为"对给定任意输入x的每个类的条件概率"。例如，y^1=猫P(y=猫∣x)。假设整个数据集{X,Y}具有n个样本，其中索引i的样本由特征向量x(i)和独热标签向量y(i)组成。我们可以将估计值与实际值进行比较：

根据最大似然估计，我们最大化P(Y∣X)，相当于最小化负对数似然：

其中，对于任何标签y和模型预测y^，损失函数为：

在本节稍后的内容会讲到，y^中的损失函数通常被称为交叉熵损失（cross-entropy loss）。由于y是一个长度为q的独热编码向量，所以除了一个项以外的所有项j都消失了。由于所有y^j都是预测的概率，所以它们的对数永远不会大于0。因此，如果正确地预测实际标签，即如果实际标签P(y∣x)=1，则损失函数不能进一步最小化。注意，这往往是不可能的。例如，数据集中可能存在标签噪声（比如某些样本可能被误标），或输入特征没有足够的信息来完美地对每一个样本分类。

softmax及其导数

由于softmax和相关的损失函数很常见，因此我们需要更好地理解它的计算方式。将全连接层代入损失中。利用softmax的定义，我们得到：

考虑相对于任何未规范化的预测oj的导数，我们得到：

换句话说，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。从这个意义上讲，这与我们在回归中看到的非常相似，其中梯度是观测值y和估计值y^之间的差异。这不是巧合，在任何指数族分布模型中，对数似然的梯度正是由此得出的。这使梯度计算在实践中变得容易很多。

交叉熵损失

现在让我们考虑整个结果分布的情况，即观察到的不仅仅是一个结果。对于标签y，我们可以使用与以前相同的表示形式。唯一的区别是，我们现在用一个概率向量表示，如(0.1,0.2,0.7)，而不是仅包含二元项的向量(0,0,1)。我们使用y^来定义损失l，它是所有标签分布的预期损失值。此损失称为交叉熵损失（cross-entropy loss），它是分类问题最常用的损失之一。本节我们将通过介绍信息论基础来理解交叉熵损失。

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。

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的熵（entropy）。可以通过以下方程得到：

信息论的基本定理之一指出，为了对从分布p中随机抽取的数据进行编码，我们至少需要H[P]"纳特（nat）"对其进行编码。 "纳特"相当于比特（bit），但是对数底为e而不是2。因此，一个纳特是1log⁡(2)≈1.44比特。

信息量

压缩与预测有什么关系呢？想象一下，我们有一个要压缩的数据流。如果我们很容易预测下一个数据，那么这个数据就很容易压缩。为什么呢？举一个极端的例子，假如数据流中的每个数据完全相同，这会是一个非常无聊的数据流。由于它们总是相同的，我们总是知道下一个数据是什么。所以，为了传递数据流的内容，我们不必传输任何信息。也就是说，"下一个数据是xx"这个事件毫无信息量。

但是，如果我们不能完全预测每一个事件，那么我们有时可能会感到"惊异"。克劳德·香农决定用信息量log⁡1P(j)=−log⁡P(j)来量化这种惊异程度。在观察一个事件j时，并赋予它（主观）概率P(j)。当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。在 (3.4.11)中定义的熵，是当分配的概率真正匹配数据生成过程时的信息量的期望。

重新审视交叉熵

如果把熵H(P)想象为"知道真实概率的人所经历的惊异程度"，那么什么是交叉熵？交叉熵从 P到Q，记为H(P,Q)。我们可以把交叉熵想象为"主观概率为Q的观察者在看到根据概率P生成的数据时的预期惊异"。当P=Q时，交叉熵达到最低。在这种情况下，从P到Q的交叉熵是H(P,P)=H(P)。

简而言之，我们可以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。

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。

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。