PyTorch实现CrossEntropyLoss示例

PyTorch实现CrossEntropyLoss示例

PyTorch实现CrossEntropyLoss示例

摘要

在深度学习的分类任务中,交叉熵损失函数被广泛应用。然而,传统的交叉熵损失容易导致模型对预测结果过于自信,从而引发过拟合问题。本文介绍一种改进方法------标签平滑(Label Smoothing),并通过PyTorch实现该技术。代码源自计算机视觉领域的经典论文《Rethinking the Inception Architecture for Computer Vision》,可有效提升模型的泛化能力。


标签平滑原理

传统交叉熵的问题

传统交叉熵损失将真实标签的预测概率设为1,其他类别为0。这种"非黑即白"的方式容易导致模型过度拟合训练数据,对错误标签过于敏感。

标签平滑的数学表达

标签平滑通过引入平滑因子 ϵ \epsilon ϵ,将真实标签的概率调整为:
( 1 − ϵ ) × y + ϵ K (1 - \epsilon) \times y + \frac{\epsilon}{K} (1−ϵ)×y+Kϵ

其中 K K K为类别总数。例如,当 ϵ = 0.1 \epsilon=0.1 ϵ=0.1且 K = 10 K=10 K=10时,真实标签的概率变为 0.9 + 0.1 / 10 = 0.91 0.9 + 0.1/10=0.91 0.9+0.1/10=0.91,其他类别均为 0.01 0.01 0.01。这种方式使模型输出更"柔和",防止过拟合。


PyTorch代码实现解析

类定义与初始化

python 复制代码
class CrossEntropyLoss(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes, eps=0.1, use_gpu=True, label_smooth=True):
        super(CrossEntropyLoss, self).__init__()
        self.num_classes = num_classes
        self.eps = eps if label_smooth else 0  # 平滑因子
        self.use_gpu = use_gpu
        self.logsoftmax = nn.LogSoftmax(dim=1)  # LogSoftmax层
        
	def forward(self, inputs, targets):
	    log_probs = self.logsoftmax(inputs)  # 计算Log Softmax
	    zeros = torch.zeros(log_probs.size())
	    targets = zeros.scatter_(1, targets.unsqueeze(1).data.cpu(), 1)  # 生成One-hot编码
	    if self.use_gpu:
	        targets = targets.cuda()
	    targets = (1 - self.eps) * targets + self.eps / self.num_classes  # 应用标签平滑
	    return (-targets * log_probs).mean(0).sum()  # 计算损失
  • num_classes: 类别总数。
  • eps: 平滑因子,默认0.1。
  • use_gpu: 是否使用GPU加速。
  • label_smooth: 是否启用标签平滑。

前向传播过程

  1. Log Softmax计算

    使用nn.LogSoftmax对模型输出进行处理,获得对数概率。

  2. 生成One-hot标签

    通过scatter_方法将类别索引转换为One-hot向量。例如,假设targets=[2,5],则生成的One-hot矩阵为:

    复制代码
    [[0,0,1,0,0,0,0,0,0,0],
     [0,0,0,0,0,1,0,0,0,0]]
  3. 设备转移

    根据use_gpu参数将标签数据转移到GPU。

  4. 标签平滑公式应用

    调整真实标签的概率分布,公式为:

    t a r g e t s = ( 1 − ϵ ) × one_hot + ϵ / K targets = (1-\epsilon) \times \text{one\_hot} + \epsilon / K targets=(1−ϵ)×one_hot+ϵ/K

  5. 损失计算

    计算每个类别的平均损失后求和,等价于对全体样本的损失求平均。


代码示例

python 复制代码
# 示例:计算两个样本的损失
num_classes = 10
batch_size = 2
inputs = torch.randn(batch_size, num_classes)  # 随机生成预测结果
targets = torch.LongTensor([2, 5])             # 真实标签

criterion = CrossEntropyLoss(num_classes=10, eps=0.1, use_gpu=False)
loss = criterion(inputs, targets)
print(f"Loss: {loss.item():.4f}")

关键点总结

  1. 标签平滑的作用

    通过引入平滑因子,防止模型对训练数据过度自信,提升泛化性能。

  2. 设备一致性

    需确保inputstargets位于同一设备(CPU/GPU)。当前代码依赖use_gpu参数控制,建议改进为自动匹配设备。

  3. 计算等价性
    .mean(0).sum()等价于对全体样本的损失求平均,与传统交叉熵计算方式一致。


扩展思考

  • 参数调优 :平滑因子 ϵ \epsilon ϵ通常取0.1,但可根据任务调整。较大的 ϵ \epsilon ϵ适合类别噪声较多的场景。
  • 结合其他技术:可与其他正则化方法(如Dropout、权重衰减)结合使用,进一步提升模型效果。
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