SoftMax回归模型,是logistic回归在多分类问题的推广,即现在logistic回归数据中的标签y不止有0-1两个值,而是可以取k个值,softmax回归对诸如MNIST手写识别库等分类很有用,该问题有0-9 这10个数字,softmax是一种supervised learning方法。

在logistic中,训练集由 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 个已标记的样本构成:CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP ,其中输入特征CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP(特征向量 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 的维度为 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP,其中 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 对应截距项 ), logistic 回归是针对二分类问题的,因此类标记 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP。假设函数(hypothesis function) 如下:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

损失函数为负log损失函数:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

找到使得损失函数最小时的模型参数 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP ,带入假设函数即可求解模型。

在softmax回归中,对于训练集CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 中的类标 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 可以取 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 个不同的值(而不是 2 个),即有 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP(注意不是由0开始), 在MNIST中有K=10个类别。

在softmax回归中,对于输入x,要计算x分别属于每个类别j的概率CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP,即求得x分别属于每一类的概率,因此假设函数要设定为输出一个k维向量,每个维度代表x被分为每个类别的概率,假设函数 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 形式如下:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

请注意 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP这一项对概率分布进行归一化,使得所有概率之和为 1 。当类别数 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 时,softmax 回归退化为 logistic 回归。这表明 softmax 回归是 logistic 回归的一般形式。具体地说,当 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 时,softmax 回归的假设函数为:CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP,对该式进行化简得到:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

另 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP来表示CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP,我们就会发现 softmax 回归器预测其中一个类别的概率为 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP,另一个类别概率的为 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP,这与 logistic回归是一致的。

其中 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 是模型的参数。把参数 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 表示为矩阵形式有, CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 是一个 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 的矩阵,该矩阵是将 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 按行罗列起来得到的:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

有个假设函数(Hypothesis Function),下面来看代价函数,根据代价函数求解出最优参数值带入假设函数即可求得最终的模型,先引入函数CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP,对于该函数有:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP值为真的表达式 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP    CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 值为假的表达式 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

举例来说,表达式 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 的值为1 ,CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP的值为 0 。

则softmax的损失函数为:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

当k=2时,即有logistic的形式,下边是推倒:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

另上式中的CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP便得到了logistic回归的损失函数。

可以看到,softmax与logistic的损失函数只是k的取值不同而已,且在softmax中将类别x归为类别j的概率为:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP.

需要注意的一个问题是softmax回归中的模型参数化问题,即softmax的参数集是“冗余的”。

假设从参数向量 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 中减去了向量 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP,这时,每一个 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP都变成了 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP(CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP)。此时假设函数变成了以下的式子:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

也就是说,从 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 中减去 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 完全不影响假设函数的预测结果,这就说明 Softmax 模型被过度参数化了。对于任意一个用于拟合数据的假设函数,可以求出多组参数值,这些参数得到的是完全相同的假设函数 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP,也就是说如果参数集合 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 是代价函数 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 的极小值点,那么CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 同样也是它的极小值点,其中 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 可以是任意向量,到底是什么造成的呢?从宏观上可以这么理解,因为此时的损失函数不是严格非凸的,也就是说在局部最小值点附近是一个”平坦”的,所以在这个参数附近的值都是一样的了。平坦假设函数空间的Hessian 矩阵是奇异的/不可逆的,这会直接导致采用牛顿法优化就遇到数值计算的问题。因此使 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 最小化的解不是唯一的。但此时 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 仍然是一个凸函数,因此梯度下降时不会遇到局部最优解的问题。

还有一个值得注意的地方是:当 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 时,我们总是可以将 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP替换为CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP(即替换为全零向量),并且这种变换不会影响假设函数。因此我们可以去掉参数向量 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP(或者其他 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 中的任意一个)而不影响假设函数的表达能力。实际上,与其优化全部的 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 个参数 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP (其中 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP),我们可以令 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP,只优化剩余的 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 个参数,这样算法依然能够正常工作。比如logistic就是这样的。

在实际应用中,为了使算法看起来更直观更清楚,往往保留所有参数 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP ,而不任意地将某一参数设置为 0。但此时需要对代价函数做一个改动:加入权重衰减。权重衰减可以解决 softmax 回归的参数冗余所带来的数值问题。

目前对损失函数 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 的最小化还没有封闭解(closed-form),因此使用迭代的方法求解,如(Gradient Descent或者L-BFGS),经过求导,得到的梯度公式:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 本身是一个向量,它的第 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 个元素 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 是 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHPCS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 的第 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 个分量的偏导数。在梯度下降法的标准实现中,每一次迭代需要进行如下更新: CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP(CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP)。(CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 为方向,a代表在这个方向的步长)

由于参数数量的庞大,所以可能需要权重衰减项来防止过拟合,一般的算法中都会有该项。添加一个权重衰减项 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 来修改代价函数,这个衰减项会惩罚过大的参数值,现在我们的代价函数变为:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

有了这个权重衰减项以后 (CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP),代价函数就变成了严格的凸函数,这样就可以保证得到唯一的解了。 此时的 Hessian矩阵变为可逆矩阵,并且因为CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP是凸函数,梯度下降法和 L-BFGS 等算法可以保证收敛到全局最优解。

为了使用优化算法,我们需要求得这个新函数 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP 的导数,如下:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

通过最小化 CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP,我们就能实现一个可用的 softmax 回归模型。

最后一个问题在logistic的文章里提到过,关于分类器选择的问题,是使用logistic建立k个分类器呢,还是直接使用softmax回归,这取决于数据之间是否是互斥的,k-logistic算法可以解决互斥问题,而softmax不可以解决,比如将图像分到三个不同类别中。(i) 假设这三个类别分别是:室内场景、户外城区场景、户外荒野场景。 (ii) 现在假设这三个类别分别是室内场景、黑白图片、包含人物的图片

考虑到处理的问题的不同,在第一个例子中,三个类别是互斥的,因此更适于选择softmax回归分类器 。而在第二个例子中,建立三个独立的 logistic回归分类器更加合适。最后补一张k-logistic的图片:

CS229  6.9 Neurons Networks softmax regression-LMLPHP

04-25 16:58