如何手动计算分类交叉熵?

当我手动计算二元交叉熵时,我会先对logits应用sigmoid函数得到概率,然后使用交叉熵公式并计算结果的平均值:

logits = tf.constant([-1, -1, 0, 1, 2.])labels = tf.constant([0, 0, 1, 1, 1.])probs = tf.nn.sigmoid(logits)loss = labels * (-tf.math.log(probs)) + (1 - labels) * (-tf.math.log(1 - probs))print(tf.reduce_mean(loss).numpy()) # 0.35197204cross_entropy = tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True)loss = cross_entropy(labels, logits)print(loss.numpy()) # 0.35197204

logitslabels大小不同时,如何计算分类交叉熵?

logits = tf.constant([[-3.27133679, -22.6687183, -4.15501118, -5.14916372, -5.94609261,                       -6.93373299, -5.72364092, -9.75725174, -3.15748906, -4.84012318],                      [-11.7642536, -45.3370094, -3.17252636, 4.34527206, -17.7164974,                      -0.595088899, -17.6322937, -2.36941719, -6.82157373, -3.47369862],                      [-4.55468369, -1.07379043, -3.73261762, -7.08982277, -0.0288562477,                        -5.46847963, -0.979336262, -3.03667569, -3.29502845, -2.25880361]])labels = tf.constant([2, 3, 4])loss_object = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True,                                                            reduction='none')loss = loss_object(labels, logits)print(loss.numpy()) # [2.0077195  0.00928135 0.6800677 ]print(tf.reduce_mean(loss).numpy()) # 0.8990229

我的意思是如何手动计算得到相同的结果([2.0077195 0.00928135 0.6800677 ])?

@[隐藏人名]的回答是正确的。在TF 2.0中看起来是这样的:

loss_object = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(    from_logits=True, reduction='none')loss = loss_object(labels, logits)print(f'{loss.numpy()}\n{tf.math.reduce_sum(loss).numpy()}')one_hot_labels = tf.one_hot(labels, 10)preds = tf.nn.softmax(logits)preds /= tf.math.reduce_sum(preds, axis=-1, keepdims=True)loss = tf.math.reduce_sum(tf.math.multiply(one_hot_labels, -tf.math.log(preds)), axis=-1)print(f'{loss.numpy()}\n{tf.math.reduce_sum(loss).numpy()}')# [2.0077195  0.00928135 0.6800677 ]# 2.697068691253662# [2.0077198  0.00928142 0.6800677 ]# 2.697068929672241

对于语言模型:

vocab_size = 9seq_len = 6batch_size = 2labels = tf.reshape(tf.range(batch_size*seq_len), (batch_size,seq_len)) # (2, 6)logits = tf.random.normal((batch_size,seq_len,vocab_size)) # (2, 6, 9)loss_object = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(    from_logits=True, reduction='none')loss = loss_object(labels, logits)print(f'{loss.numpy()}\n{tf.math.reduce_sum(loss).numpy()}')one_hot_labels = tf.one_hot(labels, vocab_size)preds = tf.nn.softmax(logits)preds /= tf.math.reduce_sum(preds, axis=-1, keepdims=True)loss = tf.math.reduce_sum(tf.math.multiply(one_hot_labels, -tf.math.log(preds)), axis=-1)print(f'{loss.numpy()}\n{tf.math.reduce_sum(loss).numpy()}')# [[1.341706  3.2518263 2.6482694 3.039099  1.5835983 4.3498387]#  [2.67237   3.3978183 2.8657475       nan       nan       nan]]# nan# [[1.341706  3.2518263 2.6482694 3.039099  1.5835984 4.3498387]#  [2.67237   3.3978183 2.8657475 0.        0.        0.       ]]# 25.1502742767334

回答:

SparseCategoricalCrossentropyCategoricalCrossentropy的一种,它接受的是整数标签而不是独热编码。来自源代码的示例,下面两个是等价的:

scce = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy()cce = tf.keras.losses.CategoricalCrossentropy()labels_scce = K.variable([[0, 1, 2]]) labels_cce  = K.variable([[1,    0,  0], [0,    1,  0], [0,   0,   1]])preds       = K.variable([[.90,.05,.05], [.50,.89,.60], [.05,.01,.94]])loss_cce  = cce(labels_cce,   preds, from_logits=False)loss_scce = scce(labels_scce, preds, from_logits=False)
with tf.Session() as sess:    sess.run(tf.global_variables_initializer())    sess.run([loss_cce, loss_scce])print(K.get_value(loss_cce))print(K.get_value(loss_scce))# [0.10536055  0.8046684  0.0618754]# [0.10536055  0.8046684  0.0618754]

至于如何手动计算,我们可以参考Numpy后端

np_labels = K.get_value(labels_cce)np_preds  = K.get_value(preds)losses = []for label, pred in zip(np_labels, np_preds):    pred /= pred.sum(axis=-1, keepdims=True)    losses.append(np.sum(label * -np.log(pred), axis=-1, keepdims=False))print(losses)# [0.10536055  0.8046684  0.0618754]
  • from_logits = Truepreds是模型输出在进入softmax之前(所以我们需要将其传递给softmax)
  • from_logits = Falsepreds是模型输出在经过softmax之后(所以我们跳过这一步)

总结一下,手动计算的步骤如下:

  1. 将整数标签转换为独热编码标签
  2. 如果preds是softmax之前的模型输出,我们需要计算它们的softmax
  3. pred /= ...在计算对数之前归一化预测值;这样,高概率的预测在零标签上会惩罚在非零标签上的正确预测。如果from_logits = False,这一步会被跳过,因为softmax已经完成了归一化。参见这个片段进一步阅读
  4. 对于每个观测值/样本,计算元素级的负log(以e为底),仅在label==1的地方
  5. 计算所有观测值的损失的平均值

最后,分类交叉熵的数学公式是:

  • i遍历N个观测值
  • c遍历C个类别
  • 1指示函数 – 这里类似于二元交叉熵,但操作的是长度为C的向量
  • p_model [y_i \in C_c] – 观测值i属于类别c的预测概率

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