各种损失函数详解

1. 损失函数、代价函数与目标函数

损失函数(Loss Function):是定义在单个样本上的,是指一个样本的误差。
代价函数(Cost Function):是定义在整个训练集上的,是所有样本误差的平均,也就是所有损失函数值的平均。
目标函数(Object Function):是指最终需要优化的函数,一般来说是经验风险+结构风险,也就是(代价函数+正则化项)。

2. 常用的损失函数

这一节转载自博客

(1)0-1损失函数(0-1 loss function)

L(Y,f(X)) = \begin{cases} 0, & \text{Y = f(X)} \\ 1, & \text{Y $\neq$ f(X)} \end{cases} 也就是说,当预测错误时,损失函数为1,当预测正确时,损失函数值为0。该损失函数不考虑预测值和真实值的误差程度。只要错误,就是1。

(2)平方损失函数(quadratic loss function)

L(Y,f(X)) = (Y-f(X))^2是指预测值与实际值差的平方。

(3)绝对值损失函数(absolute loss function)

L(Y,f(X)) = \lvert{Y-f(X)}\rvert该损失函数的意义和上面差不多,只不过是取了绝对值而不是求绝对值,差距不会被平方放大。

(4)对数损失函数(logarithmic loss function)

L(Y,f(X)) = -logP(Y|X)这个损失函数就比较难理解了。事实上,该损失函数用到了极大似然估计的思想。P(Y|X)通俗的解释就是:在当前模型的基础上,对于样本X,其预测值为Y,也就是预测正确的概率。由于概率之间的同时满足需要使用乘法,为了将其转化为加法,我们将其取对数。最后由于是损失函数,所以预测正确的概率越高,其损失值应该是越小,因此再加个负号取个反。

(5)Hinge loss

Hinge loss一般分类算法中的损失函数,尤其是SVM,其定义为:

L(w,b)=max(0,1−yf(x))

其中 y=+1y=−1y,f(X)=wx+b,当为SVM的线性核时。


3. 常用的代价函数

(1)均方误差(Mean Squared Error)

MSE=\frac1N\sum_{i=1}^N{(y_{i}-f(x_{i}))}^2

均方误差是指参数估计值与参数真值之差平方的期望值; MSE可以评价数据的变化程度,MSE的值越小,说明预测模型描述实验数据具有更好的精确度。(i表示第 i 个样本,N 表示样本总数)
通常用来做回归问题的代价函数

(2)均方根误差

RMSE=\sqrt{\frac1N\sum_{i=1}^N{(y_{i}-f(x_{i}))}^2}
均方根误差是均方误差的算术平方根,能够直观观测预测值与实际值的离散程度。
通常用来作为回归算法的性能指标

(3)平均绝对误差(Mean Absolute Error)

MAE=\frac1N\sum_{i=1}^N\lvert{y_{i}-f(x_{i})}\lvert

平均绝对误差是绝对误差的平均值 ,平均绝对误差能更好地反映预测值误差的实际情况。
通常用来作为回归算法的性能指标

(4)交叉熵代价函数(Cross Entry)

H(p,q)=−\sum_{i=1}^Np(x_{i})logq(x_{i})

交叉熵是用来评估当前训练得到的概率分布与真实分布的差异情况,减少交叉熵损失就是在提高模型的预测准确率。其中 p(x)p(x) 是指真实分布的概率, q(x) 是模型通过数据计算出来的概率估计。
比如对于二分类模型的交叉熵代价函数(可参考逻辑回归一节):

L(y,f(x))=\frac1N\sum_{i=1}^N(y_{i}logf(x_{i})+(1−y_{i})log(1−f(x_{i})))其中 f(x)可以是sigmoid函数。或深度学习中的其它激活函数。而 y_{i}∈0,1
通常用做分类问题的代价函数。

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