机器学习最常用的损失函数之交叉熵

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作者 rtygbwwwerr huangjx36

编辑 zenRRan 稍有修改

链接

https://blog.csdn.net/rtygbwwwerr/article/details/50778098

https://blog.csdn.net/huangjx36/article/details/78147617

交叉熵是一个在ML领域经常会被提到的名词。在这篇文章里将对这个概念进行详细的分析。

什么是信息量？

假设X是一个离散型随机变量，其取值集合为X，概率分布函数为p(x)=Pr(X=x),x∈X，我们定义事件X=x0的信息量为：

I(x0)=−log(p(x0))，可以理解为，一个事件发生的概率越大，则它所携带的信息量就越小，而当p(x0)=1时，熵将等于0，也就是说该事件的发生不会导致任何信息量的增加。举个例子，小明平时不爱学习，考试经常不及格，而小王是个勤奋学习的好学生，经常得满分，所以我们可以做如下假设：

事件A：小明考试及格，对应的概率P(xA)=0.1，信息量为I(xA)=−log(0.1)=3.3219

事件B：小王考试及格，对应的概率P(xB)=0.999，信息量为I(xB)=−log(0.999)=0.0014

可以看出，结果非常符合直观：小明及格的可能性很低(十次考试只有一次及格)，因此如果某次考试及格了（大家都会说：XXX竟然及格了！），必然会引入较大的信息量，对应的I值也较高。而对于小王而言，考试及格是大概率事件，在事件B发生前，大家普遍认为事件B的发生几乎是确定的，因此当某次考试小王及格这个事件发生时并不会引入太多的信息量，相应的I值也非常的低。

什么是熵？

那么什么又是熵呢？还是通过上边的例子来说明，假设小明的考试结果是一个0-1分布XA只有两个取值{0：不及格，1：及格}，在某次考试结果公布前，小明的考试结果有多大的不确定度呢？你肯定会说：十有八九不及格！因为根据先验知识，小明及格的概率仅有0.1,90%的可能都是不及格的。怎么来度量这个不确定度？求期望！不错，我们对所有可能结果带来的额外信息量求取均值（期望），其结果不就能够衡量出小明考试成绩的不确定度了吗。

即：

对应小王的熵：

虽然小明考试结果的不确定性较低，毕竟十次有9次都不及格，但是也比不上小王（1000次考试只有一次才可能不及格，结果相当的确定）

我们再假设一个成绩相对普通的学生小东，他及格的概率是P(xC)=0.5,即及格与否的概率是一样的，对应的熵：

其熵为1，他的不确定性比前边两位同学要高很多，在成绩公布之前，很难准确猜测出他的考试结果。

可以看出，熵其实是信息量的期望值，它是一个随机变量的确定性的度量。熵越大，变量的取值越不确定，反之就越确定。

对于一个随机变量X而言，它的所有可能取值的信息量的期望（E[I(x)]）就称为熵。

X的熵定义为：

如果p(x)是连续型随机变量的pdf，则熵定义为：

为了保证有效性，这里约定当p(x)→0时,有p(x)logp(x)→0

当X为0-1分布时，熵与概率p的关系如下图：

可以看出，当两种取值的可能性相等时，不确定度最大（此时没有任何先验知识），这个结论可以推广到多种取值的情况。在图中也可以看出，当p=0或1时，熵为0，即此时X完全确定。

熵的单位随着公式中log运算的底数而变化，当底数为2时，单位为“比特”(bit)，底数为e时，单位为“奈特”。

什么是相对熵？

相对熵(relative entropy)又称为KL散度（Kullback-Leibler divergence），KL距离，是两个随机分布间距离的度量。记为DKL(p||q)。它度量当真实分布为p时，假设分布q的无效性。

并且为了保证连续性，做如下约定：

显然，当p=q时,两者之间的相对熵DKL(p||q)=0

上式最后的Hp(q)表示在p分布下，使用q进行编码需要的bit数，而H(p)表示对真实分布p所需要的最小编码bit数。基于此，相对熵的意义就很明确了：DKL(p||q)表示在真实分布为p的前提下，使用q分布进行编码相对于使用真实分布p进行编码（即最优编码）所多出来的bit数。

什么是交叉熵？

交叉熵容易跟相对熵搞混，二者联系紧密，但又有所区别。假设有两个分布p，q，则它们在给定样本集上的交叉熵定义如下：

可以看出，交叉熵与上一节定义的相对熵仅相差了H(p),当p已知时，可以把H(p)看做一个常数，此时交叉熵与KL距离在行为上是等价的，都反映了分布p，q的相似程度。最小化交叉熵等于最小化KL距离。它们都将在p=q时取得最小值H(p)（p=q时KL距离为0），因此有的工程文献中将最小化KL距离的方法称为Principle of Minimum Cross-Entropy (MCE)或Minxent方法。

特别的，在logistic regression中，

p:真实样本分布，服从参数为p的0-1分布，即X∼B(1,p)

q:待估计的模型，服从参数为q的0-1分布，即X∼B(1,q)

两者的交叉熵为：