【深度学习】— softmax回归、网络架构、softmax 运算、小批量样本的向量化、交叉熵

3.4 Softmax 回归

回归可以用于预测“多少”的问题。例如预测房屋被售出的价格，或者棒球队可能获得的胜场数，又或者患者住院的天数。

事实上，我们也对分类问题感兴趣：不是问“多少”，而是问“哪一个”：

• 某个电子邮件是否属于垃圾邮件文件夹？
• 某个用户可能注册或不注册订阅服务？
• 某个图像描绘的是驴、狗、猫，还是鸡？
• 某人接下来最有可能看哪部电影？

通常，机器学习实践者用分类这个词来描述两个有微妙差别的问题：

1. 我们只对样本的“硬性”类别感兴趣，即属于哪个类别。
2. 我们希望得到“软性”类别，即得到属于每个类别的概率。

这两者的界限往往很模糊。其中的一个原因是：即使我们只关心硬类别，我们仍然使用软类别的模型。

3.4.1 分类问题

我们从一个图像分类问题开始。假设每次输入是一个 $2\times 2$ 的灰度图像。我们可以用一个标量表示每个像素值，每个图像对应四个特征 $x_1,x_2,x_3,x_4$。此外，假设每个图像属于类别“猫”，“鸡”和“狗”中的一个。

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 } y \in \{1, 2, 3\} y∈{1,2,3}，其中整数分别代表 {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}，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”：

$$y\in \{(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)\}.$$

3.4.2 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）：$o_1,o_2,o_3$。

$$o_1=x_1{w}_{11}+x_2{w}_{12}+x_3{w}_{13}+x_4{w}_{14}+b_1,$$

$$o_2=x_1{w}_{21}+x_2{w}_{22}+x_3{w}_{23}+x_4{w}_{24}+b_2,$$

$$o_3=x_1{w}_{31}+x_2{w}_{32}+x_3{w}_{33}+x_4{w}_{34}+b_3.$$

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 $o_1,o_2,o_3$ 取决于所有输入 $x_1,x_2,x_3,x_4$，所以 softmax 回归的输出层也是全连接层。

图 3.4.1: softmax 回归是一种单层神经网络

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：

$$\mathbf{o}=\mathbf{Wx}+\mathbf{b},$$

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 $3\times 4$ 矩阵中。对于给定数据样本的特征 $\mathbf{x}$，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 $\mathbf{b}$ 得到的。

3.4.3 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 $O\left(\frac{dq}{n}\right)$，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]。

3.4.4 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 ${\hat{y}}_j$ 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 ${\text{argmax}}_j{\hat{y}}_j$ 作为我们的预测。例如，如果 ${\hat{y}}_1$、${\hat{y}}_2$ 和 ${\hat{y}}_3$ 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 2.6 节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：

$$\hat{y}=\text{softmax}(o)\text{其中}{\hat{y}}_j=\frac{\exp (o_j)}{{\sum }_k\exp (o_k)}$$
（3.4.3）

这⾥，对于所有的 $j$ 总有 $0\le {\hat{y}}_j\le 1$。因此，$\hat{y}$ 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：

$${\text{argmax}}_j{\hat{y}}_j={\text{argmax}}_j{o}_j$$
（3.4.4）

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）。

3.4.5 小批量样本的向量化

为了提高计算效率并充分利用 GPU，我们通常会对小批量样本的数据执行向量计算。假设我们读取了一个批量的样本 $\mathbf{X}$，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矩阵为 $\mathbf{X}\in {\mathbb{R}}^{n\times d}$，权重矩阵为 $\mathbf{W}\in {\mathbb{R}}^{d\times q}$，偏置向量为 $\mathbf{b}\in {\mathbb{R}}^{1\times q}$。softmax 回归的向量计算表达式为：

相对于一次处理一个样本，小批量样本的向量化计算加快了对 $\mathbf{XW}$ 的处理速度。在小批量处理中，每个样本是 $\mathbf{X}$ 的一行。softmax 运算可以按行执行：对 $\mathbf{O}$ 的每一行，先进行幂运算，再标准化。公式 (3.4.5) 中的 $\mathbf{XW}+\mathbf{b}$ 使用了广播机制，最终得到的未规范化预测 $\mathbf{O}$ 和输出概率 $\hat{\mathbf{Y}}$ 都是 $n\times q$ 形状的矩阵。

3.4.6 损失函数

为了评估模型的预测效果，我们使用最大似然估计，这与线性回归中的方法类似。

对数似然

softmax 函数输出向量 $\hat{\mathbf{y}}$，可看作条件概率。假设数据集 { X , Y } \{\mathbf{X}, \mathbf{Y}\} {X,Y} 有 $n$ 个样本，每个样本由特征向量 ${\mathbf{x}}^{(i)}$ 和独热标签 ${\mathbf{y}}^{(i)}$ 组成，模型预测的概率为：

根据最大似然估计，最小化负对数似然为：

其中，损失函数为交叉熵损失：

softmax 的导数

将公式 (3.4.3) 代入损失函数 (3.4.8)，得到：

对于未规范化的预测 $o_j$，其导数为：

这个导数表示模型分配的概率与真实标签之间的差异，类似于回归中的误差梯度。

3.4.7 信息论基础

信息论（information theory）涉及编码、解码、传输以及高效处理信息或数据的过程。

熵

信息论的核心是量化数据中的信息量，这个数值称为分布 $P$ 的熵（entropy），定义为：

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 $H[P]$ 个“纳特（nat）”来编码。纳特是以自然对数 $e$ 为底的单位，与比特（bit）的区别在于比特使用的是以 2 为底的对数。1 个纳特大约等于 1.44 比特。

信息量

压缩与预测密切相关。假如我们可以轻易预测数据的下一个值，那么它就容易压缩。举例来说，如果数据流中的所有数据完全相同，它们是无聊且可预测的，因此无需传递额外信息，因为下一个数据是确定的。在这种情况下，事件的信息量为零。

然而，当事件不易预测时，信息量增加。克劳德·香农用公式 $\log \frac{1}{P(j)}=-\log P(j)$ 来量化这种“惊异”程度。当一个事件的概率较低时，它的信息量更大。在公式 (3.4.11) 中定义的熵是当概率分布与数据生成过程匹配时，事件信息量的期望值。

重新审视交叉熵

如果我们将熵 $H(P)$ 理解为“知道真实概率的人所感受到的惊异程度”，那么交叉熵是从分布 $P$ 到 $Q$ 的信息量，记为 $H(P,Q)$。它可以看作是“主观认为分布为 $Q$ 的观察者，看到根据分布 $P$ 生成的数据时的预期惊异”。当 $P=Q$ 时，交叉熵达到最小值，等于熵 $H(P)$。

简而言之，交叉熵目标有两个方面：（i）最大化观测数据的似然；（ii）最小化传达标签所需的信息量。

3.4.8 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。

3.4.9 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。