當前位置：首頁 > 人工智能 > pytorch >内容正文

pytorch

深度学习与计算机视觉系列(7)_神经网络数据预处理，正则化与损失函数

發布時間：2025/3/21 pytorch 25 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了深度学习与计算机视觉系列(7)_神经网络数据预处理，正则化与损失函数小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

作者：寒小陽?&&?龍心塵?
時間：2016年1月。?
出處：?
http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/50451460?
http://blog.csdn.net/longxinchen_ml/article/details/50451493?
聲明：版權所有，轉載請聯系作者并注明出處

1. 引言

上一節我們講完了各種激勵函數的優缺點和選擇，以及網絡的大小以及正則化對神經網絡的影響。這一節我們講一講輸入數據以及損失函數設定的一些事情。

2. 數據與網絡的設定

前一節提到前向計算涉及到的組件(主要是神經元)設定。神經網絡結構和參數設定完畢之后，我們就得到得分函數/score function(忘記的同學們可以翻看一下之前的博文)，總體說來，一個完整的神經網絡就是在不斷地進行線性映射(權重和input的內積)和非線性映射(部分激勵函數作用)的過程。這一節我們會展開來講講數據預處理，權重初始化和損失函數的事情。

2.1 數據預處理

在卷積神經網處理圖像問題的時候，圖像數據有3種常見的預處理可能會用到，如下。我們假定數據表示成矩陣為X，其中我們假定X是[N*D]維矩陣(N是樣本數據量，D為單張圖片的數據向量長度)。

去均值，這是最常見的圖片數據預處理，簡單說來，它做的事情就是，對待訓練的每一張圖片的特征，都減去全部訓練集圖片的特征均值，這么做的直觀意義就是，我們把輸入數據各個維度的數據都中心化到0了。使用python的numpy工具包，這一步可以用X -= np.mean(X, axis = 0)輕松實現。當然，其實這里也有不同的做法：簡單一點，我們可以直接求出所有像素的均值，然后每個像素點都減掉這個相同的值；稍微優化一下，我們在RGB三個顏色通道分別做這件事。
歸一化，歸一化的直觀理解含義是，我們做一些工作去保證所有的維度上數據都在一個變化幅度上。通常我們有兩種方法來實現歸一化。一個是在數據都去均值之后，每個維度上的數據都除以這個維度上數據的標準差(X /= np.std(X, axis = 0))。另外一種方式是我們除以數據絕對值最大值，以保證所有的數據歸一化后都在-1到1之間。多說一句，其實在任何你覺得各維度幅度變化非常大的數據集上，你都可以考慮歸一化處理。不過對于圖像而言，其實這一步反倒可做可不做，因為大家都知道，像素的值變化區間都在[0,255]之間，所以其實圖像輸入數據天生幅度就是一致的。

上述兩個操作對于數據的作用，畫成示意圖，如下：?

PCA和白化/whitening，這是另外一種形式的數據預處理。在經過去均值操作之后，我們可以計算數據的協方差矩陣，從而可以知道數據各個維度之間的相關性，簡單示例代碼如下：

得到的結果矩陣中元素(i,j)表示原始數據中，第i維和第j維直接愛你的相關性。有意思的是，其實協方差矩陣的對角線包含了每個維度的變化幅度。另外，我們都知道協方差矩陣是對稱的，我們可以在其上做矩陣奇異值分解(SVD factorization)：

其中U為特征向量，我們如果相對原始數據(去均值之后)做去相關操作，只需要進行如下運算：

這么理解一下可能更好，U是一組正交基向量。所以我們可以看做把原始數據X投射到這組維度保持不變的正交基底上，從而也就完成了對原始數據的去相關。如果去相關之后你再求一下Xrot的協方差矩陣，你會發現這時候的協方差矩陣是一個對角矩陣了。而numpy中的np.linalg.svd更好的一個特性是，它返回的U是對特征值排序過的，這也就意味著，我們可以用它進行降維操作。我們可以只取top的一些特征向量，然后做和原始數據做矩陣乘法，這個時候既降維減少了計算量，同時又保存下了絕大多數的原始數據信息，這就是所謂的主成分分析/PCA：

這個操作之后，我們把原始數據集矩陣從[N*D]降維到[N*100]，保存了前100個能包含絕大多數數據信息的維度。實際應用中，你在PCA降維之后的數據集上，做各種機器學習的訓練，在節省空間和時間的前提下，依舊能有很好的訓練準確度。

最后我們再提一下whitening操作。所謂whitening，就是把各個特征軸上的數據除以特征向量，從而達到在每個特征軸上都歸一化幅度的結果。whitening變換的幾何意義和理解是，如果輸入的數據是多變量高斯，那whitening之后的數據是一個均值為0而不同方差的高斯矩陣。這一步簡單代碼實現如下：

提個醒：whitening操作會有嚴重化噪聲的可能。注意到我們在上述代碼中，分母的部分加入了一個很小的數1e-5，以防止出現除以0的情況。但是數據中的噪聲部分可能會因whitening操作而變大，因為這個操作的本質是把輸入的每個維度都拉到差不多的幅度，那么本不相關的有微弱幅度變化的噪聲維度，也被拉到了和其他維度同樣的幅度。當然，我們適當提高墳墓中的安全因子(1e-5)可以在一定程度上緩解這個問題。

下圖為原始數據到去相關到白化之后的數據分布示意圖：?

我們來看看真實數據集上的操作與得到的結果，也許能對這些過程有更清晰一些的認識。大家都還記得CIFAR-10圖像數據集吧。訓練集大小為50000*3072，也就是說，每張圖片都被展成一個3072維度的列向量了。然后我們對原始50000*3072數據矩陣做SVD分解，進行上述一些操作，再可視化一下，得到的結果示意圖如下：

我們稍加解釋一下，最左邊是49張原始圖片；左起第2幅圖是最3072個特征向量中最top的144個，這144個特征向量包含了絕大多數數據變量信息，而其實它們代表的是圖片中低頻的信息；左起第3幅圖表示PCA降維操作之后的49張圖片，使用上面求得的144個特征向量。我們可以觀察到圖片好像被蒙上了一層東西一樣，模糊化了，這也就表明了我們的top144個特征向量捕捉到的都是圖像的低頻信息，不過我們發現圖像的絕大多數信息確實被保留下來了；最右圖是whitening的144個數通過乘以U.transpose()[:144,:]還原回圖片的樣子，有趣的是，我們發現，現在低頻信息基本都被濾掉了，剩下一些高頻信息被放大呈現。

實際工程中，因為這個部分講到數據預處理，我們就把基本的幾種數據預處理都講了一遍，但實際卷積神經網中，我們并沒有用到去相關和whitening操作。當然，去均值是非常非常重要的，而每個像素維度的歸一化也是常用的操作。

特別說明，需要特別說明的一點是，上述的預處理操作，一定都是在訓練集上先預算的，然后應用在交叉驗證/測試集上的。舉個例子，有些同學會先把所有的圖片放一起，求均值，然后減掉均值，再把這份數據分作訓練集和測試集，這是不對的親！！！

2.2 權重初始化

我們之前已經看過一個完整的神經網絡，是怎么樣通過神經元和連接搭建起來的，以及如何對數據做預處理。在訓練神經網絡之前，我們還有一個任務要做，那就是初始化參數。

錯誤的想法：全部初始化為0，有些同學說，那既然要訓練和收斂嘛，初始值就隨便設定，簡單一點就全設為0好了。親，這樣是絕對不行的！！！為啥呢？我們在神經網絡訓練完成之前，是不可能預知神經網絡最后的權重具體結果的，但是根據我們歸一化后的數據，我們可以假定，大概有半數左右的權重是正數，而另外的半數是負數。但設定全部初始權重都為0的結果是，網絡中每個神經元都計算出一樣的結果，然后在反向傳播中有一樣的梯度結果，因此迭代之后的變化情況也都一樣，這意味著這個神經網絡的權重沒有辦法差異化，也就沒有辦法學習到東西。

很小的隨機數，其實我們依舊希望初始的權重是較小的數，趨于0，但是就像我們剛剛討論過的一樣，不要真的是0。綜合上述想法，在實際場景中，我們通常會把初始權重設定為非常小的數字，然后正負盡量一半一半。這樣，初始的時候權重都是不一樣的很小隨機數，然后迭代過程中不會再出現迭代一致的情況。舉個例子，我們可能可以這樣初始化一個權重矩陣W=0.0001*np.random.randn(D,H)。這個初始化的過程，使得每個神經元的權重向量初始化為多維高斯中的隨機采樣向量，所以神經元的初始權重值指向空間中的隨機方向。

特別說明：其實不一定更小的初始值會比大值有更好的效果。我們這么想，一個有著非常小的權重的神經網絡在后向傳播過程中，回傳的梯度也是非常小的。這樣回傳的”信號”流會相對也較弱，對于層數非常多的深度神經網絡，這也是一個問題，回傳到最前的迭代梯度已經很小了。

方差歸一化，上面提到的建議有一個小問題，對于隨機初始化的神經元參數下的輸出，其分布的方差隨著輸入的數量，會增長。我們實際上可以通過除以總輸入數目的平方根，歸一化每個神經元的輸出方差到1。也就是說，我們傾向于初始化神經元的權重向量為w = np.random.randn(n) / sqrt(n)，其中n為輸入數。

我們從數學的角度，簡單解釋一下，為什么上述操作可以歸一化方差?？紤]在激勵函數之前的權重w與輸入x的內積s=∑niwixi部分，我們計算一下s的方差：

Var(s)=Var(∑inwixi)=∑inVar(wixi)=∑in[E(wi)]2Var(xi)+E[(xi)]2Var(wi)+Var(xi)Var(wi)=∑inVar(xi)Var(wi)=(nVar(w))Var(x)

注意，這個推導的前2步用到了方差的性質。第3步我們假定輸入均值為0，因此E[xi]=E[wi]=0。不過這是我們的一個假設，實際情況下并不一定是這樣的，比如ReLU單元的均值就是正的。最后一步我們假定wi,xi是獨立分布。我們想讓s的方差和輸入x的方差一致，因此我們想讓w的方差取值為1/n，又因為我們有公式Var(aX)=a2Var(X)，所以a應該取值為a=1/n???√，numpy里的實現為w = np.random.randn(n) / sqrt(n)。

對于初始化權重還有一些類似的研究和建議，比如說Glorot在論文Understanding the difficulty of training deep feedforward neural networks就推薦使用能滿足Var(w)=2/(nin+nout)的權重初始化。其中nin,nout是前一層和后一層的神經元個數。而另外一篇比較新的論文Delving Deep into Rectifiers: Surpassing Human-Level Performance on ImageNet Classification，則指出尤其對于ReLU神經元，我們初始化方差應該為2.0/n，也就是w = np.random.randn(n) * sqrt(2.0/n)，目前的神經網絡中使用了很多ReLU單元，因此這個設定其實在實際應用中使用最多。

偏移量/bias初始化：相對而言，bias項初始化就簡單一些。我們很多時候簡單起見，直接就把它們都設為0.在ReLU單元中，有些同學會使用很小的數字(比如0.01)來代替0作為所有bias項的初始值，他們解釋說這樣也能保證ReLU單元一開始就是被激活的，因此反向傳播過程中不會終止掉回傳的梯度。不過似乎實際的實驗過程中，這個優化并不是每次都能起到作用的，因此很多時候我們還是直接把bias項都初始化為0。

2.3 正則化

在前一節里我們說了我們要通過正則化來控制神經網絡，使得它不那么容易過擬合。有幾種正則化的類型供選擇：

L2正則化，這個我們之前就提到過，非常常見。實現起來也很簡單，我們在損失函數里，加入對每個參數的懲罰度。也就是說，對于每個權重w，我們在損失函數里加入一項12λw2，其中λ是我們可調整的正則化強度。順便說一句，這里在前面加上1/2的原因是，求導/梯度的時候，剛好變成λw而不是2λw。L2正則化理解起來也很簡單，它對于特別大的權重有很高的懲罰度，以求讓權重的分配均勻一些，而不是集中在某一小部分的維度上。我們再想想，加入L2正則化項，其實意味著，在梯度下降參數更新的時候，每個權重以W += -lambda*W的程度被拉向0。
L1正則化，這也是一種很常見的正則化形式。在L1正則化中，我們對于每個權重w的懲罰項為λ|w|。有時候，你甚至可以看到大神們混著L1和L2正則化用，也就是說加入懲罰項λ1∣w∣+λ2w2，L1正則化有其獨特的特性，它會讓模型訓練過程中，權重特征向量逐漸地稀疏化，這意味著到最后，我們只留下了對結果影響最大的一部分權重，而其他不相關的輸入(例如『噪聲』)因為得不到權重被抑制。所以通常L2正則化后的特征向量是一組很分散的小值，而L1正則化只留下影響較大的權重。在實際應用中，如果你不是特別要求只保留部分特征，那么L2正則化通常能得到比L1正則化更好的效果
最大范數約束，另外一種正則化叫做最大范數約束，它直接限制了一個上行的權重邊界，然后約束每個神經元上的權重都要滿足這個約束。實際應用中是這樣實現的，我們不添加任何的懲罰項，就按照正常的損失函數計算，只不過在得到每個神經元的權重向量w??之后約束它滿足∥w??∥2<c。有些人提到這種正則化方式幫助他們提高最后的模型效果。另外，這種正則化方式倒是有一點很吸引人：在神經網絡訓練學習率設定很高的時候，它也能很好地約束住權重更新變化，不至于直接掛掉。
Dropout，親，這個是我們實際神經網絡訓練中，用的非常多的一種正則化手段，同時也相當有效。Srivastava等人的論文Dropout: A Simple Way to Prevent Neural Networks from Overfitting最早提到用dropout這種方式作為正則化手段。一句話概括它，就是：在訓練過程中，我們對每個神經元，都以概率p保持它是激活狀態，1-p的概率直接關閉它。

下圖是一個3層的神經網絡的dropout示意圖：?

?

可以這么理解，在訓練過程中呢，我們對全體神經元，以概率p做了一個采樣，只有選出的神經元要進行參數更新。所以最后就從左圖的全連接到右圖的Dropout過后神經元連接圖了。需要多說一句的是，在測試階段，我們不用dropout，而是直接從概率的角度，對權重配以一個概率值。

簡單的Dropout代碼如下(這是簡易實現版本，但是不建議使用，我們會分析為啥，并在之后給出優化版)：

<code class="language-python hljs has-numbering" style="display: block; padding: 0px; background-color: transparent; color: inherit; box-sizing: border-box; font-family: 'Source Code Pro', monospace;font-size:undefined; white-space: pre; border-top-left-radius: 0px; border-top-right-radius: 0px; border-bottom-right-radius: 0px; border-bottom-left-radius: 0px; word-wrap: normal; background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;"> p = 0.5 # 設定dropout的概率，也就是保持一個神經元激活狀態的概率def train_step(X):""" X contains the data """# 3層神經網絡前向計算H1 = np.maximum(0, np.dot(W1, X) + b1)U1 = np.random.rand(*H1.shape) # 第一次DropoutH1 *= U1 # drop!H2 = np.maximum(0, np.dot(W2, H1) + b2)U2 = np.random.rand(*H2.shape) # 第二次DropoutH2 *= U2 # drop!out = np.dot(W3, H2) + b3# 反向傳播: 計算梯度... (這里省略)# 參數更新... (這里省略)def predict(X):# 加上Dropout之后的前向計算H1 = np.maximum(0, np.dot(W1, X) + b1) * p H2 = np.maximum(0, np.dot(W2, H1) + b2) * p out = np.dot(W3, H2) + b3</code><ul class="pre-numbering" style="box-sizing: border-box; position: absolute; width: 50px; background-color: rgb(238, 238, 238); top: 0px; left: 0px; margin: 0px; padding: 6px 0px 40px; border-right-width: 1px; border-right-style: solid; border-right-color: rgb(221, 221, 221); list-style: none; text-align: right;"><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">1</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">2</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">3</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">4</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">5</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">6</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">7</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">8</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">9</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">10</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">11</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">12</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">13</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">14</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">15</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">16</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">17</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">18</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">19</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">20</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">21</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">22</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">23</li></ul>

上述代碼中，在train_step函數中，我們做了2次Dropout。我們甚至可以在輸入層做一次dropout。反向傳播過程保持不變，除了我們要考慮一下U1,U2

很重要的一點是，大家仔細看predict函數部分，我們不再dropout了，而是對于每個隱層的輸出，都用概率p做了一個幅度變換?？梢詮臄祵W期望的角度去理解這個做法，我們考慮一個神經元的輸出為x(沒有dropout的情況下)，它的輸出的數學期望為px+(1?p)0，那我們在測試階段，如果直接把每個輸出x都做變換x→px，其實是可以保持一樣的數學期望的。

上述代碼的寫法有一些缺陷，我們必須在測試階段對每個神經的輸出都以p的概率輸出。考慮到實際應用中，測試階段對于時間的要求非常高，我們可以考慮反著來，代碼實現的時候用inverted dropout，即在訓練階段就做相反的幅度變換/scaling(除以p)，這樣在測試階段，我們可以直接把權重拿來使用，而不用附加很多步用p做scaling的過程。inverted dropout的示例代碼如下：

<code class="language-python hljs has-numbering" style="display: block; padding: 0px; background-color: transparent; color: inherit; box-sizing: border-box; font-family: 'Source Code Pro', monospace;font-size:undefined; white-space: pre; border-top-left-radius: 0px; border-top-right-radius: 0px; border-bottom-right-radius: 0px; border-bottom-left-radius: 0px; word-wrap: normal; background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">""" Inverted Dropout的版本，把本該花在測試階段的時間，轉移到訓練階段，從而提高testing部分的速度 """p = 0.5 # dropout的概率，也就是保持一個神經元激活狀態的概率def train_step(X):# f3層神經網絡前向計算H1 = np.maximum(0, np.dot(W1, X) + b1)U1 = (np.random.rand(*H1.shape) < p) / p # 注意到這個dropout中我們除以p，做了一個inverted dropoutH1 *= U1 # drop!H2 = np.maximum(0, np.dot(W2, H1) + b2)U2 = (np.random.rand(*H2.shape) < p) / p # 這個dropout中我們除以p，做了一個inverted dropoutH2 *= U2 # drop!out = np.dot(W3, H2) + b3# 反向傳播: 計算梯度... (這里省略)# 參數更新... (這里省略)def predict(X):# 直接前向計算，無需再乘以pH1 = np.maximum(0, np.dot(W1, X) + b1) H2 = np.maximum(0, np.dot(W2, H1) + b2)out = np.dot(W3, H2) + b3</code><ul class="pre-numbering" style="box-sizing: border-box; position: absolute; width: 50px; background-color: rgb(238, 238, 238); top: 0px; left: 0px; margin: 0px; padding: 6px 0px 40px; border-right-width: 1px; border-right-style: solid; border-right-color: rgb(221, 221, 221); list-style: none; text-align: right;"><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">1</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">2</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">3</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">4</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">5</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">6</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">7</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">8</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">9</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">10</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">11</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">12</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">13</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">14</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">15</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">16</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">17</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">18</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">19</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">20</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">21</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">22</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">23</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">24</li></ul>

對于dropout這個部分如果你有更深的興趣，歡迎閱讀以下文獻：?
* 2014 Srivastava 的論文Dropout paper?
*?Dropout Training as Adaptive Regularization

bias項的正則化，其實我們在之前的博客中提到過，我們大部分時候并不對偏移量項做正則化，因為它們也沒有和數據直接有乘法等交互，也就自然不會影響到最后結果中某個數據維度的作用。不過如果你愿意對它做正則化，倒也不會影響最后結果，畢竟總共有那么多權重項，才那么些bias項，所以一般也不會影響結果。

實際應用中：我們最常見到的是，在全部的交叉驗證集上使用L2正則化，同時我們在每一層之后用dropout，很常見的dropout概率為p=0.5，你也可以通過交叉驗證去調整這個值。

2.4 損失函數

剛才討論了數據預處理、權重初始化與正則化相關的問題?，F在我們回到訓練需要的關鍵之一：損失函數。對于這么復雜的神經網絡，我們也得有一個評估準則去評估預測值和真實結果之間的吻合度，也就是損失函數。神經網絡里的損失函數，實際上是計算出了每個樣本上的loss，再求平均之后的一個形式，即L=1N∑iLi，其中N是訓練樣本數。

2.4.1 分類問題

分類問題是到目前為止我們一直在討論的。我們假定一個數據集中每個樣本都有唯一一個正確的標簽/類別。我們之前提到過有兩種損失函數可以使用，其一是SVM的hinge loss:

Li=∑j≠yimax(0,fj?fyi+1)

另外一個是Softmax分類器中用到的互熵損失:

Li=?log??efyi∑jefj??

問題：特別多的類別數。當類別標簽特別特別多的時候(比如ImageNet包含22000個類別)，層次化的Softmax，它將類別標簽建成了一棵樹，這樣任何一個類別，其實就對應tree的一條路徑，然后我們在每個樹的結點上都訓練一個Softmax以區分是左分支還是右分支。
屬性分類，上述的兩種損失函數都假定，對于每個樣本，我們只有一個正確的答案yi。但是在有些場景下，yi是一個二值的向量，每個元素都代表有沒有某個屬性，這時候我們怎么辦呢？舉個例子說，Instagram上的圖片可以看作一大堆hashtag里的一個tag子集，所有一張圖片可以有多個tag。對于這種情況，大家可能會想到一個最簡單的處理方法，就是對每個屬性值都建一個二分類的分類器。比如，對應某個類別的二分類器可能有如下形式的損失函數：

Li=∑jmax(0,1?yijfj)

其中的求和是針對有所的類別j，而yij是1或者-1(取決于第i個樣本是否有第j個屬性的標簽)，打分向量fj在類別/標簽被預測到的情況下為正，其他情況為負。注意到如果正樣本有比+1小的得分，或者負樣本有比-1大的得分，那么損失/loss就一直在累積。

另外一個也許有效的解決辦法是，我們可以對每個屬性，都單獨訓練一個邏輯回歸分類器，一個二分類的邏輯回歸分類器只有0，1兩個類別，屬于1的概率為：

P(y=1∣x;w,b)=11+e?(wTx+b)=σ(wTx+b)

又因為0，1兩類的概率和為1，所以歸屬于類別0的概率為P(y=0∣x;w,b)=1?P(y=1∣x;w,b)。一個樣本在σ(wTx+b)>0.5的情況下被判定為1，對應sigmoid函數化簡一下，對應的是得分wTx+b>0。這時候的損失函數可以定義為最大化似然概率的形式，也就是：

Li=∑jyijlog(σ(fj))+(1?yij)log(1?σ(fj))

其中標簽yij為1(正樣本)或者0(負樣本)，而δ是sigmoid函數。

2.4.2 回歸問題

回歸是另外一類機器學習問題，主要用于預測連續值屬性，比如房子的價格或者圖像中某些東西的長度等。對于回歸問題，我們一般計算預測值和實際值之間的差值，然后再求L2范數或者L1范數用于衡量。其中對一個樣本(一張圖片)計算的L2范數損失為：

Li=∥f?yi∥22

而L1范數損失函數是如下的形式：?

Li=∥f?yi∥1=∑j∣fj?(yi)j∣

注意：

回歸問題中用到的L2范數損失，比分類問題中的Softmax分類器用到的損失函數，更難優化。直觀想一想這個問題，一個神經網絡最后輸出離散的判定類別，比訓練它去輸出一個個和樣本結果對應的連續值，要簡單多了。
另外一個，前面的博文中提到過，其實Softmax這種分類器，對于輸出的打分結果具體值是不怎么在乎的，它只在乎各個類別之間的打分幅度有沒有差很多(比如二分類兩個類別的得分是1和9，與0.1和0.9)。
再一個，L2范數損失健壯性更差一些，異常點和噪聲都可能改變損失函數的幅度，而帶來大的梯度偏差。
一般情況下，對于回歸問題，我們都會首先考慮，這個問題能否轉化成對應的分類問題，比如說我們把輸出值劃分成不同的區域(切成一些桶)。舉個例子，如果我們要預測一個產品的預測打分，我們可以考慮把得分結果分成1-5顆星，而轉化成一個分類問題。
如果你覺得問題確實沒辦法轉化成分類問題，那要小心使用L2范數損失：舉個例子，在神經網絡中，在L2損失函數之前使用dropout是不合適的。

如果我們遇到回歸問題，首先要想想，是否完全沒有可能把結果離散化之后，把這個問題轉化成一個分類問題。

3. 總結

總結一下：

在很多神經網絡的問題中，我們都建議對數據特征做預處理，去均值，然后歸一化到[-1,1]之間。
從一個標準差為2/n???√的高斯分布中初始化權重，其中n為輸入的個數。
使用L2正則化(或者最大范數約束)和dropout來減少神經網絡的過擬合。
對于分類問題，我們最常見的損失函數依舊是SVM hinge loss和Softmax互熵損失。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的深度学习与计算机视觉系列(7)_神经网络数据预处理，正则化与损失函数的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。

上一篇：深度学习与计算机视觉系列(2)_图像分类
下一篇：手把手入门神经网络系列(2)_74行代码