Stanford cs231n Assignment #1 (c) 实现softmax

这篇文章讲的是用softmax分类器来实现分类任务。其实softmax和svm的分类效果在很多情况下都是差不多的,只是它们的各自数学理解不大一样。softmax是以概率的形式来呈现,最后的输出都是百分比的形式。

有一篇比较好的文章是关于softmax和logistic的介绍和联系的,看完之后就可以理解,其实softmax只是在概率计算上和二分类的logistic不同罢了。http://blog.csdn.net/zhangliyao22/article/details/48379291
还有另外一篇:http://www.cnblogs.com/guyj/p/3800519.html

loss function:

Paste_Image.png

其实对于 f(x, W) = Wx 来说没有变,只是interpretion变为了以概率模型为解释,那么随之而来的是loss function的改变。

Paste_Image.png
Paste_Image.png

个人比较喜欢的是用熵来解释softmax的意义:

Paste_Image.png

进一步解释的话就是说,对于一个数据,它分别计算出了相对n个类的score。但是“true"数据分布,其实就是一个[0,0,...0,1,0,...0,0]。根据截图中的公式,不难把softmax的公式和上图所示的交叉熵的公式互相转换并理解出来了。由于对于真实的分布,除了yi之外的所有类都应该为0,那么最后的公式就是 Li = - ( 1 * log (score(yi) / sum_score) ) 。。。易知分类正确的情况下这个loss function的值为0。也就是理想情况中的最小值,在训练时我们要最小化交叉熵代价函数。

gradient

此处我参考了一篇写的非常非常好的博客http://eli.thegreenplace.net/2016/the-softmax-function-and-its-derivative/
结论:

Paste_Image.png

这个结果是对softmax函数求导,也就是loss function的equivalent 表达式的前半部分(没负号),而不是加了log之后的...其中Si,Sj指的都是由矩阵乘法Wx计算得到并由softmax函数化为0-1之间的概率的score,i代表的是当前正在计算这个输入数据对应于第i个类的概率,j代表的是当前数据求对应第j个a值的偏导。这个计算得到的表达式不是最终的dL/dW,这只是dP/dA的表达,这个A是直接由矩阵乘法Wx得到的还没有映射为概率的值,而P则是softmax函数表达式。本身由A映射为P是一个N->N的映射,Jacobian为一个N by N的矩阵。(N代表类别个数)根据chain rule,想得到dL/dW的话还需要求dL/dP和dP/dW。

详细推导如下:

softmax.png

代码如下:

def softmax_loss_naive(W, X, y, reg):
  """
  Softmax loss function, naive implementation (with loops)

  Inputs have dimension D, there are C classes, and we operate on minibatches
  of N examples.

  Inputs:
  - W: A numpy array of shape (D, C) containing weights.
  - X: A numpy array of shape (N, D) containing a minibatch of data.
  - y: A numpy array of shape (N,) containing training labels; y[i] = c means
    that X[i] has label c, where 0 <= c < C.
  - reg: (float) regularization strength

  Returns a tuple of:
  - loss as single float
  - gradient with respect to weights W; an array of same shape as W
  """
  # Initialize the loss and gradient to zero.
  loss = 0.0
  dW = np.zeros_like(W)

  num_train = X.shape[0]
  num_classes = W.shape[1]

  #############################################################################
  # TODO: Compute the softmax loss and its gradient using explicit loops.     #
  # Store the loss in loss and the gradient in dW. If you are not careful     #
  # here, it is easy to run into numeric instability. Don't forget the        #
  # regularization!                                                           #
  #############################################################################
  for i in xrange(num_train):
    scores = X[i].dot(W)
    log_c = np.max(scores)           # this is for computation stability...
    p = []
    for j in xrange(num_classes):
      p.append(np.exp(scores[j] - log_c))
    loss += -np.log(p[y[i]]/np.sum(p))
    for j in xrange(num_classes):
      dW[:,j] += (p[j]/np.sum(p) - (j==y[i]))*X[i,:]
  
  loss /= num_train
  loss += 0.5 * reg * np.sum(W * W)
  dW /= num_train
  dW += reg*W
      
  #############################################################################
  #                          END OF YOUR CODE                                 #
  #############################################################################

  return loss, dW


def softmax_loss_vectorized(W, X, y, reg):
  """
  Softmax loss function, vectorized version.

  Inputs and outputs are the same as softmax_loss_naive.
  """
  # Initialize the loss and gradient to zero.
  loss = 0.0
  dW = np.zeros_like(W)

  num_train = X.shape[0]
  num_classes = W.shape[1]

  #############################################################################
  # TODO: Compute the softmax loss and its gradient using no explicit loops.  #
  # Store the loss in loss and the gradient in dW. If you are not careful     #
  # here, it is easy to run into numeric instability. Don't forget the        #
  # regularization!                                                           #
  #############################################################################
  scores = X.dot(W)
  # log_c = np.max(scores, axis=1).reshape(X.shape[0], 1)
  scores -= np.max(scores, axis=1).reshape(X.shape[0], 1)
  scores_exp = np.exp(scores)
  sum_p = np.sum(scores_exp, axis=1).reshape(X.shape[0], 1)
  p_yi = scores_exp[:, y]
  p = scores_exp/sum_p
  loss = np.mean(-np.log( p_yi/sum_p))
  binary = np.zeros(p.shape)
  print binary.shape
  binary[range(binary.shape[0]), y] = 1
  print binary
  dW = np.dot(X.transpose(), p - binary)
  loss += 0.5 * reg * np.sum(W * W)
  dW /= num_train
  dW += reg*W
  #############################################################################
  #                          END OF YOUR CODE                                 #
  #############################################################################

  return loss, dW
最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 200,302评论 5 470
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 84,232评论 2 377
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 147,337评论 0 332
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 53,977评论 1 272
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 62,920评论 5 360
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,194评论 1 277
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 37,638评论 3 390
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,319评论 0 254
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 40,455评论 1 294
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,379评论 2 317
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,426评论 1 329
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,106评论 3 315
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,696评论 3 303
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,786评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 30,996评论 1 255
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 42,467评论 2 346
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,043评论 2 341

推荐阅读更多精彩内容