神经网络之交叉熵与 Softmax 的梯度计算

🧠 目标

我们要计算的是:

给定模型输出 logits z=z1,z2,...,zC\mathbf{z} = z_1, z_2, ..., z_Cz=z1,z2,...,zC,Softmax 后得到预测概率 y^=y\^1,...,y\^C\hat{\mathbf{y}} = \\hat{y}_1, ..., \\hat{y}_Cy^=y\^1,...,y\^C,交叉熵损失函数为:

L=−∑i=1Cyilog⁡(y^i) L = -\sum_{i=1}^C y_i \log(\hat{y}_i) L=−i=1∑Cyilog(y^i)

我们要推导损失对 z\mathbf{z}z 的梯度,也就是:

∂L∂zj \frac{\partial L}{\partial z_j} ∂zj∂L


📘 步骤概览:

  1. 定义 softmax:

    y^i=ezi∑k=1Cezk \hat{y}i = \frac{e^{z_i}}{\sum{k=1}^C e^{z_k}} y^i=∑k=1Cezkezi

  2. 定义交叉熵:

    L=−∑i=1Cyilog⁡(y^i) L = -\sum_{i=1}^C y_i \log(\hat{y}_i) L=−i=1∑Cyilog(y^i)

  3. 合并并对 zjz_jzj 求导:


🧮 步骤一:对 softmax 求导

对于 softmax 输出的 y^i\hat{y}_iy^i,对 zjz_jzj 求导:

  • 当 i=ji = ji=j 时:

∂y^i∂zj=y^i(1−y^i) \frac{\partial \hat{y}_i}{\partial z_j} = \hat{y}_i (1 - \hat{y}_i) ∂zj∂y^i=y^i(1−y^i)

  • 当 i≠ji \ne ji=j 时:

∂y^i∂zj=−y^iy^j \frac{\partial \hat{y}_i}{\partial z_j} = -\hat{y}_i \hat{y}_j ∂zj∂y^i=−y^iy^j

或者统一地写成:

∂y^i∂zj=y^i(δij−y^j) \frac{\partial \hat{y}_i}{\partial z_j} = \hat{y}i (\delta{ij} - \hat{y}_j) ∂zj∂y^i=y^i(δij−y^j)

其中 δij\delta_{ij}δij 是 Kronecker delta,若 i=ji = ji=j 则为 1,否则为 0。


🧮 步骤二:对损失函数求导

回忆损失函数:

L=−∑i=1Cyilog⁡(y^i) L = -\sum_{i=1}^C y_i \log(\hat{y}_i) L=−i=1∑Cyilog(y^i)

对 zjz_jzj 求导(链式法则):

∂L∂zj=−∑i=1Cyi⋅1y^i⋅∂y^i∂zj \frac{\partial L}{\partial z_j} = -\sum_{i=1}^C y_i \cdot \frac{1}{\hat{y}_i} \cdot \frac{\partial \hat{y}_i}{\partial z_j} ∂zj∂L=−i=1∑Cyi⋅y^i1⋅∂zj∂y^i

代入 softmax 的导数:

∂L∂zj=−∑i=1Cyi⋅1y^i⋅y^i(δij−y^j)=−∑i=1Cyi(δij−y^j) \frac{\partial L}{\partial z_j} = -\sum_{i=1}^C y_i \cdot \frac{1}{\hat{y}i} \cdot \hat{y}i (\delta{ij} - \hat{y}j) = -\sum{i=1}^C y_i (\delta{ij} - \hat{y}_j) ∂zj∂L=−i=1∑Cyi⋅y^i1⋅y^i(δij−y^j)=−i=1∑Cyi(δij−y^j)

展开求和:

∂L∂zj=−yj(1−y^j)+∑i≠jyiy^j \frac{\partial L}{\partial z_j} = -y_j (1 - \hat{y}j) + \sum{i \ne j} y_i \hat{y}_j ∂zj∂L=−yj(1−y^j)+i=j∑yiy^j

由于 ∑i≠jyi=1−yj\sum_{i \ne j} y_i = 1 - y_j∑i=jyi=1−yj,可化简为:

∂L∂zj=y^j−yj \frac{\partial L}{\partial z_j} = \hat{y}_j - y_j ∂zj∂L=y^j−yj


✅ 结论:最终梯度公式

∂L∂zj=y^j−yj \boxed{ \frac{\partial L}{\partial z_j} = \hat{y}_j - y_j } ∂zj∂L=y^j−yj

也就是说,Softmax + 交叉熵一起用时,最终反向传播时的梯度是预测概率减去真实标签。


📌 优点

  • ✅ 数值稳定 :因为常用实现将 Softmax + CrossEntropy 合并在一起(如 PyTorch 中的 CrossEntropyLoss),避免了显式计算 log(softmax(x)),从而防止 underflow/overflow。
  • ✅ 高效:只需要一减法操作,计算非常快。
  • ✅ 简单清晰:可以直接用误差向量反向传播。
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