Tensorflow 損失函數及學習率的四種改變形式

Reference: https://blog.csdn.net/marsjhao/article/details/72630147

分類問題損失函數-交叉熵（crossentropy)

        交叉熵描述的是兩個概率分布之間的距離，分類中廣泛使用的損失函數，公式如下     

        在網絡中可以通過Softmax回歸將前向傳播得到的結果變為交叉熵要求的概率分數值。Tensorflow中，Softmax回歸的參數被去掉，通過一層將神經網絡的輸出變為一個概率分布。

代碼實現

import tensorflow as tf
 
y_ = tf.constant([[1.0, 0, 0]]) # 正確標簽
y1 = tf.constant([[0.9, 0.06, 0.04]]) # 預測結果1
y2 = tf.constant([[0.5, 0.3, 0.2]]) # 預測結果2
# 以下為未經過Softmax處理的類別得分
y3 = tf.constant([[10.0, 3.0, 2.0]])
y4 = tf.constant([[5.0, 3.0, 1.0]])
 
# 自定義交叉熵
cross_entropy1 = -tf.reduce_mean(y_ * tf.log(tf.clip_by_value(y1, 1e-10, 1.0)))
#tf.clip_by_value 將一個tensor元素數值限制在指定范圍內,防止一些錯誤，起到數值檢查作用。
cross_entropy2 = -tf.reduce_mean(y_ * tf.log(tf.clip_by_value(y2, 1e-10, 1.0)))
# TensorFlow提供的集成交叉熵
# 注：該操作應該施加在未經過Softmax處理的logits上，否則會產生錯誤結果
# labels為期望輸出，且必須采用labels=y_, logits=y的形式將參數傳入
cross_entropy_v2_1 = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=y_, logits=y3)
cross_entropy_v2_2 = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=y_, logits=y4)
 
sess = tf.InteractiveSession()
print('[[0.9, 0.06, 0.04]]:', cross_entropy1.eval())
print('[[0.5, 0.3, 0.2]]:', cross_entropy2.eval())
print('v2_1', cross_entropy_v2_1.eval())
print('v2_2',cross_entropy_v2_2.eval())
sess.close()
 
'''
[[0.9, 0.06, 0.04]]: 0.0351202
[[0.5, 0.3, 0.2]]: 0.231049
v2_1 [ 0.00124651]
v2_2 [ 0.1429317]
'''

回歸問題損失函數-均方誤差（MSE,mean squared error）

       均方誤差也可以用於分類問題的損失函數，

           

 

自定義損失函數

        對於如下自定義損失函數的Tensorflow實現

          loss= tf.reduce_sum(tf.where(tf.greater(y, y_), (y-y_)*loss_more,(y_-y)*loss_less))

           tf.greater(x,y),返回x>y判斷結果的bool型tensor。 tf.where(condition,x=None,y=None,name=None)根據condition選擇x或者y。

代碼實現

import tensorflow as tf
from numpy.random import RandomState
 
batch_size = 8
x = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 2), name='x-input')
y_ = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 1), name='y-input')
 
w1 = tf.Variable(tf.random_normal([2,1], stddev=1, seed=1))
y = tf.matmul(x, w1)
 
# 根據實際情況自定義損失函數
loss_less = 10
loss_more = 1
# tf.select()在1.0以后版本中已刪除，tf.where()替代
loss = tf.reduce_sum(tf.where(tf.greater(y, y_),
                               (y-y_)*loss_more, (y_-y)*loss_less))
train_step = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.001).minimize(loss)
 
rdm = RandomState(seed=1) # 定義一個隨機數生成器並設定隨機種子
dataset_size = 128
X = rdm.rand(dataset_size, 2)
Y = [[x1 + x2 +rdm.rand()/10.0 - 0.05] for (x1, x2) in X] # 增加一個-0.05~0.05的噪聲
 
sess = tf.InteractiveSession()
tf.global_variables_initializer().run()
for i in range(5000):
    start = (i * batch_size) % dataset_size
    end = min(start+batch_size, dataset_size)
    train_step.run({x: X[start: end], y_: Y[start: end]})
    if i % 500 == 0:
        print('step%d:\n' % i, w1.eval())
print('final w1:\n', w1.eval())
sess.close()
 
'''
loss_less = 10
loss_more = 1
final w1:
 [[ 1.01934695]
 [ 1.04280889]]
loss_less = 1
loss_more = 10
final w1:
 [[ 0.95525807]
 [ 0.9813394 ]]
loss_less = 1
loss_more = 1
final w1:
 [[ 0.9846065 ]
 [ 1.01486754]]
'''

Tensorflow 的Cross_Entropy實現

      1. tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(_sentinel=None,labels=None,logits=None,dim=-1,name=Node)

          作用：自動計算logits(未經過Softmax)與labels 之間的cross_entropy交叉熵。logits 為神經網絡最后一層的輸出，有batch的話，大小為[batchsize,num_classes]，單樣本的話就是num_classes。labels：為ground Truth大小同上。labels的每一行為one-hot表示。

     2.tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits()

         輸入的logits是未經縮放的，函數內部對logits進行一個softmax操作。返回值為一個向量，求交叉熵做一步tf.reduce_sum操作，求loss，進一步做tf.reduce_mean，對向量求均值。

    3.tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(_sentinel=None,labels=None,logits=None,name=None)

    4.tf.nn.weithted_cross_entropy_with_logits(targets,logits,pos_weith,name=None)

 

學習率的四種改變形式：

       1.fixed:learning rate 固定不變

       2.Step:在每次迭代stepsize次后，減少gmma倍。lr = lr x gamma

       3. polynomial: 呈多項式曲線下降，lr = base_lr x(t/T)^power

       4. Inv:隨着迭代次數的增加而下降。LR = base_lr x(1+gmma x iter)^power