常用的损失函数及Python实现示例

编辑: admin 分类: python 发布时间: 2023-05-01 来源:互联网

什么是损失函数?

损失函数是一种衡量模型与数据吻合程度的算法。损失函数测量实际测量值和预测值之间差距的一种方式。损失函数的值越高预测就越错误,损失函数值越低则预测越接近真实值。对每个单独的观测(数据点)计算损失函数。将所有损失函数(loss function)的值取平均值的函数称为代价函数(cost function),更简单的理解就是损失函数是针对单个样本的,而代价函数是针对所有样本的。

损失函数与度量指标

一些损失函数也可以被用作评价指标。但是损失函数和度量指标(metrics)有不同的目的。虽然度量指标用于评估最终模型并比较不同模型的性能,但损失函数在模型构建阶段用作正在创建的模型的优化器。损失函数指导模型如何最小化误差。

也就是说损失函数是知道模型如何训练的,而度量指标是说明模型的表现的

为什么要用损失函数?

由于损失函数测量的是预测值和实际值之间的差距,因此在训练模型时可以使用它们来指导模型的改进(通常的梯度下降法)。在构建模型的过程中,如果特征的权重发生了变化得到了更好或更差的预测,就需要利用损失函数来判断模型中特征的权重是否需要改变,以及改变的方向。

我们可以在机器学习中使用各种各样的损失函数,这取决于我们试图解决的问题的类型、数据质量和分布以及我们使用的算法,下图为我们整理的10个常见的损失函数:

十个常用的损失函数及Python代码实现

回归问题

1、均方误差(MSE)

均方误差是指所有预测值和真实值之间的平方差,并将其平均值。常用于回归问题。

def MSE (y, y_predicted):
 sq_error = (y_predicted - y) ** 2
 sum_sq_error = np.sum(sq_error)
 mse = sum_sq_error/y.size
 return mse
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2、平均绝对误差(MAE)

作为预测值和真实值之间的绝对差的平均值来计算的。当数据有异常值时,这是比均方误差更好的测量方法。

def MAE (y, y_predicted):
 error = y_predicted - y
 absolute_error = np.absolute(error)
 total_absolute_error = np.sum(absolute_error)
 mae = total_absolute_error/y.size
 return mae
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3、均方根误差(RMSE)

这个损失函数是均方误差的平方根。如果我们不想惩罚更大的错误,这是一个理想的方法。

def RMSE (y, y_predicted):
 sq_error = (y_predicted - y) ** 2
 total_sq_error = np.sum(sq_error)
 mse = total_sq_error/y.size
 rmse = math.sqrt(mse)
 return rmse
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4、平均偏差误差(MBE)

类似于平均绝对误差但不求绝对值。这个损失函数的缺点是负误差和正误差可以相互抵消,所以当研究人员知道误差只有一个方向时,应用它会更好。

def MBE (y, y_predicted):
 error = y_predicted -y
 total_error = np.sum(error)
 mbe = total_error/y.size
 return mbe
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5、Huber损失

Huber损失函数结合了平均绝对误差(MAE)和均方误差(MSE)的优点。这是因为Hubber损失是一个有两个分支的函数。一个分支应用于符合期望值的MAE,另一个分支应用于异常值。Hubber Loss一般函数为:

十个常用的损失函数及Python代码实现

这里的

def hubber_loss (y, y_predicted, delta)
 delta = 1.35 * MAE
 y_size = y.size
 total_error = 0
 for i in range (y_size):
erro = np.absolute(y_predicted[i] - y[i])
if error < delta:
 hubber_error = (error * error) / 2
else:
 hubber_error = (delta * error) / (0.5 * (delta * delta))
total_error += hubber_error
 total_hubber_error = total_error/y.size
 return total_hubber_error
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二元分类

6、最大似然损失(Likelihood Loss/LHL)

该损失函数主要用于二值分类问题。将每一个预测值的概率相乘,得到一个损失值,相关的代价函数是所有观测值的平均值。让我们用以下二元分类的示例为例,其中类别为[0]或[1]。如果输出概率等于或大于0.5,则预测类为[1],否则为[0]。输出概率的示例如下:

[0.3 , 0.7 , 0.8 , 0.5 , 0.6 , 0.4]
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对应的预测类为:

[0 , 1 , 1 , 1 , 1 , 0]
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而实际的类为:

[0 , 1 , 1 , 0 , 1 , 0]
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现在将使用真实的类和输出概率来计算损失。如果真类是[1],我们使用输出概率,如果真类是[0],我们使用1-概率:

((1–0.3)+0.7+0.8+(1–0.5)+0.6+(1–0.4)) / 6 = 0.65
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Python代码如下:

def LHL (y, y_predicted):
 likelihood_loss = (y * y_predicted) + ((1-y) * (y_predicted))
 total_likelihood_loss = np.sum(likelihood_loss)
 lhl = - total_likelihood_loss / y.size
 return lhl
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7、二元交叉熵(BCE)

这个函数是对数的似然损失的修正。对数列的叠加可以惩罚那些非常自信但是却错误的预测。二元交叉熵损失函数的一般公式为:

十个常用的损失函数及Python代码实现

让我们继续使用上面例子的值:

  1. 输出概率= [0.3、0.7、0.8、0.5、0.6、0.4]
  2. 实际的类= [0,1,1,0,1,0]
  • (0 . log (0.3) + (1–0) . log (1–0.3)) = 0.155
  • (1 . log(0.7) + (1–1) . log (0.3)) = 0.155
  • (1 . log(0.8) + (1–1) . log (0.2)) = 0.097
  • (0 . log (0.5) + (1–0) . log (1–0.5)) = 0.301
  • (1 . log(0.6) + (1–1) . log (0.4)) = 0.222
  • (0 . log (0.4) + (1–0) . log (1–0.4)) = 0.222

那么代价函数的结果为:

(0.155 + 0.155 + 0.097 + 0.301 + 0.222 + 0.222) / 6 = 0.192
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Python的代码如下:

def BCE (y, y_predicted):
 ce_loss = y*(np.log(y_predicted))+(1-y)*(np.log(1-y_predicted))
 total_ce = np.sum(ce_loss)
 bce = - total_ce/y.size
 return bce
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8、Hinge Loss 和 Squared Hinge Loss (HL and SHL)

Hinge Loss被翻译成铰链损失或者合页损失,这里还是以英文为准。

Hinge Loss主要用于支持向量机模型的评估。错误的预测和不太自信的正确预测都会受到惩罚。所以一般损失函数是:

十个常用的损失函数及Python代码实现

这里的t是真实结果用[1]或[-1]表示。

使用Hinge Loss的类应该是[1]或-1。为了在Hinge loss函数中不被惩罚,一个观测不仅需要正确分类而且到超平面的距离应该大于margin(一个自信的正确预测)。如果我们想进一步惩罚更高的误差,我们可以用与MSE类似的方法平方Hinge损失,也就是Squared Hinge Loss。

如果你对SVM比较熟悉,应该还记得在SVM中,超平面的边缘(margin)越高,则某一预测就越有信心。如果这块不熟悉,则看看这个可视化的例子:

十个常用的损失函数及Python代码实现

如果一个预测的结果是1.5,并且真正的类是[1],损失将是0(零),因为模型是高度自信的。

loss= Max (0,1 - 1* 1.5) = Max (0, -0.5) = 0

十个常用的损失函数及Python代码实现

如果一个观测结果为0(0),则表示该观测处于边界(超平面),真实的类为[-1]。损失为1,模型既不正确也不错误,可信度很低。

十个常用的损失函数及Python代码实现

十个常用的损失函数及Python代码实现

如果一次观测结果为2,但分类错误(乘以[-1]),则距离为-2。损失是3(非常高),因为我们的模型对错误的决策非常有信心(这个是绝不能容忍的)。

十个常用的损失函数及Python代码实现

python代码如下:

#Hinge Loss 
def Hinge (y, y_predicted): 
 hinge_loss = np.sum(max(0 , 1 - (y_predicted * y))) 
 return hinge_loss 

#Squared Hinge Loss 
def SqHinge (y, y_predicted): 
 sq_hinge_loss = max (0 , 1 - (y_predicted * y)) ** 2 
 total_sq_hinge_loss = np.sum(sq_hinge_loss) 
 return total_sq_hinge_loss
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多分类

9、交叉熵(CE)

在多分类中,我们使用与二元交叉熵类似的公式,但有一个额外的步骤。首先需要计算每一对[y, y_predicted]的损失,一般公式为:

十个常用的损失函数及Python代码实现

如果我们有三个类,其中单个[y, y_predicted]对的输出是:

十个常用的损失函数及Python代码实现

这里实际的类3(也就是值=1的部分),我们的模型对真正的类是3的信任度是0.7。计算这损失如下:

十个常用的损失函数及Python代码实现

为了得到代价函数的值,我们需要计算所有单个配对的损失,然后将它们相加最后乘以[-1/样本数量]。代价函数由下式给出:

十个常用的损失函数及Python代码实现

使用上面的例子,如果我们的第二对:

十个常用的损失函数及Python代码实现

那么成本函数计算如下:

十个常用的损失函数及Python代码实现

使用Python的代码示例可以更容易理解;

def CCE (y, y_predicted): 
 cce_class = y * (np.log(y_predicted)) 
 sum_totalpair_cce = np.sum(cce_class) 
 cce = - sum_totalpair_cce / y.size 
 return cce
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10、Kullback-Leibler 散度 (KLD)

又被简化称为KL散度,它类似于分类交叉熵,但考虑了观测值发生的概率。如果我们的类不平衡,它特别有用。

十个常用的损失函数及Python代码实现

def KL (y, y_predicted): 
 kl = y * (np.log(y / y_predicted)) 
 total_kl = np.sum(kl) 
 return total_kl
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以上就是常见的10个损失函数,希望对你有所帮助。

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