【Pytorch】分类问题交叉熵

1️⃣ 为什么分类问题不用 MSE(均方误差)?

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场景 标签 预测 MSE 损失
分类 0,0,1 0.3,0.3,0.4 (0.4-1)²=0.36
分类 0,0,1 0.1,0.2,0.7 (0.7-1)²=0.09

看起来合理,但:

  1. sigmoid/softmax 输出在 0/1 附近梯度几乎为零 → 梯度消失;

  2. MSE 把"概率差"当数值差" → 不符合概率直觉;

  3. 收敛慢,还容易卡在鞍点。


2️⃣ 交叉熵(Cross Entropy)思想

一句话 :衡量「真实分布 p」与「预测分布 q」之间的信息差距。

公式(离散版):

CE(p,q) = − Σ p(i) log q(i)

  • p 是 one-hot 标签(比如 0,0,1)

  • q 是 softmax 输出(比如 0.1,0.2,0.7)

因为 p 只有一个 1,其余为 0,所以求和只剩一项:

CE = − log q(正确类)

直观:

  • 若 q(正确类)=0.7 → CE ≈ 0.36

  • 若 q(正确类)=0.98 → CE ≈ 0.02
    预测越准,损失越小 ,且梯度不饱和(后面会算给你看)。


3️⃣ 手推一条二分类例子

表格

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样本 真实 y 预测 p
猫 1 0.8
狗 0 0.1

二元交叉熵(BCE):

L = − [y log p + (1−y) log(1−p)]

样本 1(猫):

L = − [1·log0.8 + 0·log0.2] = −log0.8 ≈ 0.223

样本 2(狗):

L = − [0·log0.1 + 1·log0.9] = −log0.9 ≈ 0.105

平均损失 ≈ 0.164,预测越离谱,值越大。


4️⃣ PyTorch 一行代码算完

Python

复制代码
import torch.nn.functional as F

logits = torch.tensor([[1.0, 2.0, 0.5]])   # 模型输出(未归一化)
target = torch.tensor([1])                  # 正确类别索引

loss = F.cross_entropy(logits, target)
print(loss.item())          #  tensor(0.8309)

内部干了啥:

  1. softmax(logits) → 概率

  2. log(softmax) → 对数概率

  3. 取 -log q(正确类) → 损失


5️⃣ 数值稳定性技巧

不要手写:

Python

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复制代码
prob = F.softmax(logits)
log_prob = torch.log(prob)
loss = F.nll_loss(log_prob, target)

推荐直接用:

Python

复制代码
loss = F.cross_entropy(logits, target)

内部实现 log-sum-exp 技巧 ,避免 log(softmax) 造成数值溢出。


6️⃣ 对比实验(直观感受)

表格

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方法 损失曲线 梯度大小 收敛速度
MSE 平坦区早 极小 慢
CE 无平坦区 稳定 快

7️⃣ 小结口诀(背下来)

分类用 CE,回归用 MSE
CE = −log q(对类)
PyTorch:F.cross_entropy(logits, target)
别手写 softmax+log!


8️⃣ 课后 5 分钟动手

  1. 用 F.cross_entropy 算一条三分类样本。

  2. 把 logits 乘 10 再算一次,观察损失变化。

  3. 对比 F.mse_loss 与 F.cross_entropy 的梯度大小(.grad)。

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