31 Aug

类别不平衡问题,也称为长尾分布问题,在本博客里已经有好几次相关讨论了,比如《从loss的硬截断、软化到focal loss》《将“softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题》《通过互信息思想来缓解类别不平衡问题》。对于缓解类别不平衡,比较基本的方法就是调节样本权重,看起来“高端”一点的方法则是各种魔改loss了(比如Focal Loss、Dice Loss、Logits Adjustment等),本文希望比较系统地理解一下它们之间的联系。

长尾分布:少数类别的样本数目非常多,多数类别的样本数目非常少。

长尾分布:少数类别的样本数目非常多,多数类别的样本数目非常少。

从光滑准确率到交叉熵

这里的分析主要以sigmoid的2分类为主,但多数结论可以平行推广到softmax的多分类。设$x$为输入,$y\in\{0,1\}$为目标,$p_{\theta}(x) \in [0, 1]$为模型。理想情况下,当然是要评测什么指标,我们就去优化那个指标。对于分类问题来说,最朴素的指标当然就是准确率,但准确率并没有办法提供有效的梯度,所以不能直接来训练。

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25 Apr

将“softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题

一般来说,在处理常规的多分类问题时,我们会在模型的最后用一个全连接层输出每个类的分数,然后用softmax激活并用交叉熵作为损失函数。在这篇文章里,我们尝试将“softmax+交叉熵”方案推广到多标签分类场景,希望能得到用于多标签分类任务的、不需要特别调整类权重和阈值的loss。

类别不平衡

类别不平衡

单标签到多标签

一般来说,多分类问题指的就是单标签分类问题,即从$n$个候选类别中选$1$个目标类别。假设各个类的得分分别为$s_1,s_2,
\dots,s_n$,目标类为$t\in\{1,2,\dots,n\}$,那么所用的loss为
\begin{equation}-\log \frac{e^{s_t}}{\sum\limits_{i=1}^n e^{s_i}}= - s_t + \log \sum\limits_{i=1}^n e^{s_i}\label{eq:log-softmax}\end{equation}
这个loss的优化方向是让目标类的得分$s_t$变为$s_1,s_2,\dots,s_t$中的最大值。关于softmax的相关内容,还可以参考《寻求一个光滑的最大值函数》《函数光滑化杂谈:不可导函数的可导逼近》等文章。

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20 May

函数光滑化杂谈:不可导函数的可导逼近

一般来说,神经网络处理的东西都是连续的浮点数,标准的输出也是连续型的数字。但实际问题中,我们很多时候都需要一个离散的结果,比如分类问题中我们希望输出正确的类别,“类别”是离散的,“类别的概率”才是连续的;又比如我们很多任务的评测指标实际上都是离散的,比如分类问题的正确率和F1、机器翻译中的BLEU,等等。

还是以分类问题为例,常见的评测指标是正确率,而常见的损失函数是交叉熵。交叉熵的降低与正确率的提升确实会有一定的关联,但它们不是绝对的单调相关关系。换句话说,交叉熵下降了,正确率不一定上升。显然,如果能用正确率的相反数做损失函数,那是最理想的,但正确率是不可导的(涉及到$\arg\max$等操作),所以没法直接用。

这时候一般有两种解决方案;一是动用强化学习,将正确率设为奖励函数,这是“用牛刀杀鸡”的方案;另外一种是试图给正确率找一个光滑可导的近似公式。本文就来探讨一下常见的不可导函数的光滑近似,有时候我们称之为“光滑化”,有时候我们也称之为“软化”。

max

后面谈到的大部分内容,基础点就是$\max$操作的光滑近似,我们有:
\begin{equation}\max(x_1,x_2,\dots,x_n) = \lim_{K\to +\infty}\frac{1}{K}\log\left(\sum_{i=1}^n e^{K x_i}\right)\end{equation}

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2 May

寻求一个光滑的最大值函数

在最优化问题中,求一个函数的最大值或最小值,最直接的方法是求导,然后比较各阶极值的大小。然而,我们所要优化的函数往往不一定可导,比如函数中含有最大值函数$\max(x,y)$的。这时候就得求助于其他思路了。有一个很巧妙的思路是,将这些不可导函数用一个可导的函数来近似它,从而我们用求极值的方法来求出它近似的最优值。本文的任务,就是探究一个简单而有用的函数,它能够作为最大值函数的近似,并且具有多阶导数。下面是笔者给出的一个推导过程。

在数学分析中,笔者已经学习过一个关于最大值函数的公式,即当$x \geq 0, y \geq 0$时,我们有
$$\max(x,y)=\frac{1}{2}\left(|x+y|+|x-y|\right)\tag{1}$$
那么,为了寻求一个最大值的函数,我们首先可以考虑寻找一个能够近似表示绝对值$|x|$的函数,这样我们就把问题从二维降低到一维了。那么,哪个函数可以使用呢?

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