深度学习sigmoid与softmax

Posted 2021-03-17 4privetdrive

sigmoid与softmax

sigmoid与softmax可以神经网络的输出单元。

原理

sigmoid

预测二值型变量$y$的值，定义如下：

$$hat{y}= sigma( omega^{T}h+b)=frac{1}{1+exp{-( omega^ {T}h+b)}}$$

通常使用最大似然来学习，因为最大似然的代价函数是$-log(y|x)$，代价函数中的log抵消了sigmoid中的exp，这样的结果是只有当$sigma$函数的自变量非常大的时候才会有饱和，也就是梯度变得非常小。

 

softmax

softmax最常见的多分类器的输出单元。

$$z=W^{T}h+b$$

$$y_{i}=softmax(z_{i})=frac{exp(z_{i})}{sum_{j}exp(z_{j})}$$

同样，对数似然中的log可以抵消exp，而其他形式的目标函数（比如平方误差）都不能起到学习的作用。

 

交叉熵与softmax loss

交叉熵是衡量样本真实分布与样本预测分布的距离，分布距离越小，交叉熵的值就越小，公式如下：

$$H(p,q)=sum_{i}^{n}-p_{i}log(q_{i})$$

其中$p$是样本真实分布，$q$是预测分布，$n$为样本数量。根据交叉熵的形式，可以写出softmax损失函数公式，$hat{y_{i}}$是训练数据的真实标签：

$$L=sum_{i}^{n}-hat{y_{i}}log(y_{i})$$

 

softmax的反向传播

链式求导法则可知：

$$frac{ partial L}{ partial z_{i}}=frac{ partial L}{ partial y_{j}} frac{ partial y_{j}} {partial z_{i}}$$

其中$L$对$y_{j}$的导数为：

$$frac{partial L}{partial y_{j}}=frac{partial left[- sum_{j} hat{y_{j}}log(y_{j}) ight]}{partial y_{j}}=- sum_{j} frac{hat{y_{j}}}{y_{j}}$$

$y_{j}$对$z_{i}$的导数要分为两部分看

• $j=i$时：

$$frac{ partial y_{j}} {partial z_{i}}=frac{ partial left[ frac{e^{z_{i}}}{sum_{k}e^{z_{k}}} ight]} {partial z_{i}}$$

$$=frac { e^{z_{i}} sum_{k} e^{z_{k}} - (e^{z_{i}})^{2} } { ( sum_{k} e^{z_{k}} )^{2} }$$

$$=frac{e^{z_{i}}} {sum_{k} e^{z_{k}}} (1-frac{e^{z_{i}}} {sum_{k} e^{z_{k}}})$$

$$=y_{i}(1-y_{i})$$

• $j ot= i$时：

$$frac{ partial y_{j}} {partial z_{i}}=frac{ partial left[ frac{e^{z_{i}}}{sum_{k}e^{z_{k}}} ight]} {partial z_{i}}$$

$$=frac{0-e^{z_{j}z_{i}}}{( sum_{k} e^{z_{k}} )^{2}}$$

$$=-y_{j}y_{i}$$

故