回归和分类损失函数(MSE、MAE、Huber、Exponential、Deviance、Hinge)

2023-10-18 22:59

本文主要是介绍回归和分类损失函数(MSE、MAE、Huber、Exponential、Deviance、Hinge),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

文章目录

  • Regression loss
    • Mean Square Error, Quadratic loss, L2 Loss
    • Mean Absolute Error, L1 Loss
    • MSE and MAE
    • Huber Loss, Smooth Mean Absolute Error
    • Log-Cosh Loss and Quantile Loss
  • Classification loss
    • Binomial Deviance (Logistic)
    • Multinomial Deviance (Softmax)
    • Exponential Loss and Binomial Deviance Loss
    • Hinge Loss (SVM)
  • Reference

机器学习任务通过最小化 “目标函数” 求解,这种目标函数也称为损失函数,损失函数用于衡量模型预测期望输出的能力,损失越小,模型的预测能力越强。

损失函数大致可分为两类:分类损失回归损失


Regression loss

常见的回归损失:

Mean Square Error, Quadratic loss, L2 Loss

Mean Square Error (MSE) 是回归任务中最通用的损失函数,MSE是目标值与预测值之间差值平方和的均值:
ℓ mse ( f ) = 1 m [ Y − f ( X ) ] 2 \ell_{\text{mse}}(f)=\frac{1}{m}[Y-f(X)]^2 mse(f)=m1[Yf(X)]2
MSE在均值处取极小值:
c = arg ⁡ min ⁡ c ∑ i 1 m ( y i − c ) 2 = mean ( y ) c=\arg\min_c\sum_i\frac{1}{m}(y_i-c)^2=\text{mean}(y) c=argcminim1(yic)2=mean(y)


Mean Absolute Error, L1 Loss

Mean Absolute Error (MAE) 是目标值与预测值绝对差之和的均值,MAE不考虑误差方向,。
ℓ abs = ∣ y − f ( x ) ∣ \ell_{\text{abs}}=|y-f(\boldsymbol x)| abs=yf(x)
MAE在中位数处取极小值:
c = arg ⁡ min ⁡ c ∑ y ≥ c ( y − c ) + ∑ y < c ( c − y ) = median ( y ) c=\arg\min_c\sum_{y\geq c}(y-c)+\sum_{y<c}(c-y)=\text{median}(y) c=argcminyc(yc)+y<c(cy)=median(y)
考虑方向的损失叫做 Mean Bias Error (MBE),是所有目标值与预测值残差之和的均值,显然小于MAE。


MSE and MAE

简而言之,使用MSE更容易拟合数据,但使用MAE模型对异常值的鲁棒性更强,让我们看看为什么?

MSE损失在错分样本的损失随目标函数值以平方级变化,而MAE损失以线性级变化,对异常值敏感度低。另一个角度是,MSE最优解位于均值处,MAE最优解位于中位数处,显然中位数解比均值解对异常值的鲁棒性更强。


MSE和MAE的选择

如果异常值对业务很重要,应该使用MSE尽可能的拟合异常值,如果异常值只是噪声数据,则应该用MAE损失。


MSE和MAE均无法拟合的情况

考虑这种情景的数据:90%数据的目标值是150,10%数据的目标值位于0-30之间。MAE可能会把全部目标值预测为150(倾向于中位数),MSE可能预测较多的值位于0-30之间(倾向于异常值),这两种情况我们都不希望看到。

那如何解决这种问题呢?一种简单的方法是转换目标变量(???),另一种方法是使用其它损失函数,如Huber Loss。


Huber Loss, Smooth Mean Absolute Error

Huber损失对异常值没有MSE损失敏感,通过超参数 δ \delta δ控制多小的误差使用平方损失、多大的误差使用绝对损失,即真值附近 δ \delta δ区间使用MAE损失,否则使用MSE损失:
ℓ hub = { ∣ y − f ( x ) ∣ 2 , ∣ y − f ( x ) ∣ ≤ δ 2 δ ∣ y − f ( x ) ∣ − δ 2 , otherwise \ell_{\text{hub}}= \begin{cases} |y-f(\boldsymbol x)|^2,&|y-f(\boldsymbol x)|\leq\delta\\[1ex] 2\delta|y-f(\boldsymbol x)|-\delta^2, &\text{otherwise} \end{cases} hub={yf(x)2,2δyf(x)δ2,yf(x)δotherwise

为什么使用Huber损失?

MAE损失在极值点附近梯度非常大,在极值点处非常不稳定,但对异常点不敏感;MSE对异常点敏感,但在接近极值点时梯度逐渐减小至0,可以得到精确极值。

Huber Loss对于包含异常点的数据集一般表现由于以上两者,异常值以MAE方式处理,极值点以MSE方式处理。


Log-Cosh Loss and Quantile Loss


Classification loss

常见的分类损失:


Binomial Deviance (Logistic)

p ( x ) p(x) p(x)表示样本 x \boldsymbol x x的类1概率,logistic的对数似然损失为
L ( y ′ , p ) = − [ y ′ ln ⁡ p ( x ) + ( 1 − y ′ ) ln ⁡ ( 1 − p ( x ) ) ] , p ( x ) = 1 1 + exp ⁡ ( − f ( x ) ) L(y', p)=-[y'\ln p(\boldsymbol x)+(1-y')\ln(1-p(\boldsymbol x))],\quad p(\boldsymbol x) =\frac{1}{1+\exp(-f(\boldsymbol x))} L(y,p)=[ylnp(x)+(1y)ln(1p(x))],p(x)=1+exp(f(x))1
则损失函数的负梯度为(sklearn-binomial deviance)
L ( y ′ , f ) = − y ′ f ( x ) + ln ⁡ ( 1 + exp ⁡ ( f ( x ) ) ) , − ∇ f L = y ′ − 1 1 + exp ⁡ ( − f ( x ) ) L(y', f)=-y'f(\boldsymbol x)+\ln(1+\exp(f(\boldsymbol x))),\quad -\nabla_fL=y'-\frac{1}{1+\exp(-f(\boldsymbol x))} L(y,f)=yf(x)+ln(1+exp(f(x))),fL=y1+exp(f(x))1
(GBDT二分类使用Deviance损失,参数初值)模型初始值满足 c = arg ⁡ min ⁡ c ∑ i w i L ( y i , c ) c=\arg\min_c\sum_iw_iL(y_i,c) c=argminciwiL(yi,c),得
∑ i w i ( y i − 1 1 + e − c ) = 0 ⟹ c = ln ⁡ ∑ i w i y i ∑ i w i ( 1 − y i ) \sum_iw_i(y_i-\frac{1}{1+e^{-c}})=0\implies c=\ln\frac{\sum_iw_iy_i}{\sum_iw_i(1-y_i)} iwi(yi1+ec1)=0c=lniwi(1yi)iwiyi


Multinomial Deviance (Softmax)

softmax的对数似然损失
L ( y , f 1 , ⋯ , f K ) = − ∑ k = 1 K y k ln ⁡ p k ( x ) , p k ( x ) = exp ⁡ f k ( x ) ∑ i exp ⁡ f i ( x ) L(y,f_1,\cdots,f_K)=-\sum_{k=1}^Ky_k\ln p_k(\boldsymbol x),\quad p_k(\boldsymbol x)=\frac{\exp f_k(\boldsymbol x)}{\sum_i\exp f_i(\boldsymbol x)} L(y,f1,,fK)=k=1Kyklnpk(x),pk(x)=iexpfi(x)expfk(x)

y k y_k yk表示样本 x \boldsymbol x x的真实类k概率. 可令上式一个冗余目标函数为0,如 f K ( x ) = 0 f_K(\boldsymbol x)=0 fK(x)=0.

第k个目标函数的负梯度
g k = − ∂ L ( y , f 1 , ⋯ , f K ) ∂ f k = y k − exp ⁡ f k ( x ) ∑ i exp ⁡ f i ( x ) g_k=-\frac{\partial L(y,f_1,\cdots,f_K)}{\partial f_k}=y_k-\frac{\exp f_k(\boldsymbol x)}{\sum_i\exp f_i(\boldsymbol x)} gk=fkL(y,f1,,fK)=ykiexpfi(x)expfk(x)


Exponential Loss and Binomial Deviance Loss

给定样本 x \boldsymbol x x,类别 y ∈ { − 1 , + 1 } y\in\{-1,+1\} y{1,+1},类别另一种表示 y ′ = ( y + 1 ) / 2 ∈ { 0 , 1 } y'=(y+1)/2\in\{0,1\} y=(y+1)/2{0,1}.

二项偏差(Binomial Deviance)的类1概率为
p ( x ) = P ( y = 1 ∣ x ) = exp ⁡ ( f ( x ) ) exp ⁡ ( − f ( x ) ) + exp ⁡ ( f ( x ) ) = 1 1 + exp ⁡ ( − 2 f ( x ) ) p(\boldsymbol x)=P(y=1|\boldsymbol x) =\frac{\exp(f(\boldsymbol x))}{\exp(-f(\boldsymbol x))+\exp(f(\boldsymbol x))} =\frac{1}{1+\exp(-2f(\boldsymbol x))} p(x)=P(y=1x)=exp(f(x))+exp(f(x))exp(f(x))=1+exp(2f(x))1
二项偏差的对数似然损失(极大化似然概率等于极小化交叉熵)
− [ y ′ ln ⁡ p ( x ) + ( 1 − y ′ ) ln ⁡ ( 1 − p ( x ) ) ] = − ln ⁡ ( 1 + exp ⁡ ( − 2 y f ( x ) ) ) -[y'\ln p(\boldsymbol x)+(1-y')\ln(1-p(\boldsymbol x))]=-\ln(1+\exp(-2yf(\boldsymbol x))) [ylnp(x)+(1y)ln(1p(x))]=ln(1+exp(2yf(x)))
基于经验风险最小化求解模型,则指数损失和二项偏差损失的解具有一致性,以下公式给出
f ( x ) = arg ⁡ min ⁡ f E y ∣ x [ exp ⁡ ( − y f ( x ) ) ] = arg ⁡ min ⁡ f P ( y = 1 ∣ x ) ⋅ exp ⁡ ( − f ( x ) ) + P ( y = − 1 ∣ x ) ⋅ exp ⁡ ( f ( x ) ) = 1 2 ln ⁡ P ( y = 1 ∣ x ) P ( y = − 1 ∣ x ) = arg ⁡ min ⁡ f E y ∣ x [ − ln ⁡ ( 1 + exp ⁡ ( − 2 y f ( x ) ) ) ] \begin{aligned} f(\boldsymbol x) &=\arg\min_f\Bbb E_{y|\boldsymbol x}[\exp(-yf(\boldsymbol x))]\\[2ex] &=\arg\min_fP(y=1|\boldsymbol x)\cdot\exp(-f(\boldsymbol x))+P(y=-1|\boldsymbol x)\cdot\exp(f(\boldsymbol x))\\[2ex] &=\frac{1}{2}\ln\frac{P(y=1|x)}{P(y=-1|x)}\\[2ex] &=\arg\min_f\Bbb E_{y|\boldsymbol x}[-\ln(1+\exp(-2yf(\boldsymbol x)))] \end{aligned} f(x)=argfminEyx[exp(yf(x))]=argfminP(y=1x)exp(f(x))+P(y=1x)exp(f(x))=21lnP(y=1x)P(y=1x)=argfminEyx[ln(1+exp(2yf(x)))]

但两者在错分样本上损失程度不同,指数损失在错分样本的损失随目标函数取值以指数级变化(对异常值敏感如类标错误数据),而二项偏差损失以线性级变化.


Hinge Loss (SVM)

合页损失是SVM的损失函数,对于 y f ( x ) > 1 yf(x)>1 yf(x)>1的点,合页损失都是0,由此带来了稀疏解,使得SVM仅通过少量的支持向量就能确定最终分类超平面。

SVM的损失函数是合页损失 + L2正则化。


Reference

1. Regression Loss Functions All Machine Learners Should Know
2. 常见回归和分类损失函数比较

这篇关于回归和分类损失函数(MSE、MAE、Huber、Exponential、Deviance、Hinge)的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/235660

相关文章

Python中help()和dir()函数的使用

《Python中help()和dir()函数的使用》我们经常需要查看某个对象(如模块、类、函数等)的属性和方法,Python提供了两个内置函数help()和dir(),它们可以帮助我们快速了解代... 目录1. 引言2. help() 函数2.1 作用2.2 使用方法2.3 示例(1) 查看内置函数的帮助(

C++ 函数 strftime 和时间格式示例详解

《C++函数strftime和时间格式示例详解》strftime是C/C++标准库中用于格式化日期和时间的函数,定义在ctime头文件中,它将tm结构体中的时间信息转换为指定格式的字符串,是处理... 目录C++ 函数 strftipythonme 详解一、函数原型二、功能描述三、格式字符串说明四、返回值五

Python中bisect_left 函数实现高效插入与有序列表管理

《Python中bisect_left函数实现高效插入与有序列表管理》Python的bisect_left函数通过二分查找高效定位有序列表插入位置,与bisect_right的区别在于处理重复元素时... 目录一、bisect_left 基本介绍1.1 函数定义1.2 核心功能二、bisect_left 与

java中BigDecimal里面的subtract函数介绍及实现方法

《java中BigDecimal里面的subtract函数介绍及实现方法》在Java中实现减法操作需要根据数据类型选择不同方法,主要分为数值型减法和字符串减法两种场景,本文给大家介绍java中BigD... 目录Java中BigDecimal里面的subtract函数的意思?一、数值型减法(高精度计算)1.

C++/类与对象/默认成员函数@构造函数的用法

《C++/类与对象/默认成员函数@构造函数的用法》:本文主要介绍C++/类与对象/默认成员函数@构造函数的用法,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录名词概念默认成员函数构造函数概念函数特征显示构造函数隐式构造函数总结名词概念默认构造函数:不用传参就可以

C++类和对象之默认成员函数的使用解读

《C++类和对象之默认成员函数的使用解读》:本文主要介绍C++类和对象之默认成员函数的使用方式,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录一、默认成员函数有哪些二、各默认成员函数详解默认构造函数析构函数拷贝构造函数拷贝赋值运算符三、默认成员函数的注意事项总结一

Python函数返回多个值的多种方法小结

《Python函数返回多个值的多种方法小结》在Python中,函数通常用于封装一段代码,使其可以重复调用,有时,我们希望一个函数能够返回多个值,Python提供了几种不同的方法来实现这一点,需要的朋友... 目录一、使用元组(Tuple):二、使用列表(list)三、使用字典(Dictionary)四、 使

PyTorch中cdist和sum函数使用示例详解

《PyTorch中cdist和sum函数使用示例详解》torch.cdist是PyTorch中用于计算**两个张量之间的成对距离(pairwisedistance)**的函数,常用于点云处理、图神经网... 目录基本语法输出示例1. 简单的 2D 欧几里得距离2. 批量形式(3D Tensor)3. 使用不

MySQL 字符串截取函数及用法详解

《MySQL字符串截取函数及用法详解》在MySQL中,字符串截取是常见的操作,主要用于从字符串中提取特定部分,MySQL提供了多种函数来实现这一功能,包括LEFT()、RIGHT()、SUBST... 目录mysql 字符串截取函数详解RIGHT(str, length):从右侧截取指定长度的字符SUBST

Kotlin运算符重载函数及作用场景

《Kotlin运算符重载函数及作用场景》在Kotlin里,运算符重载函数允许为自定义类型重新定义现有的运算符(如+-…)行为,从而让自定义类型能像内置类型那样使用运算符,本文给大家介绍Kotlin运算... 目录基本语法作用场景类对象数据类型接口注意事项在 Kotlin 里,运算符重载函数允许为自定义类型重