（原）softmax loss特征为何径向放射状分布（直观理解，非公式推导。。。）

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本文仅为本人的一点理解，如有不正确的地方，或者读者已经懂了，则不用浪费时间看本文了O(∩_∩)O

softmax loss定义如下：

$L=-\frac{1}{m}\sum\limits_{i=1}^{m}{\log \left( \frac{{{e}^{W_{yi}^{T}{{x}_{i}}+{{b}_{yi}}}}}{\sum\limits_{j=1}^{n}{{{e}^{W_{j}^{T}{{x}_{i}}+{{b}_{j}}}}}} \right)}$

其中$W$为分类层的权重，$x$为分类层的输入特征，$b$为分类层的偏置。

上式$\frac{{{e}^{W_{yi}^{T}{{x}_{i}}+{{b}_{yi}}}}}{\sum\limits_{j=1}^{n}{{{e}^{W_{j}^{T}{{x}_{i}}+{{b}_{j}}}}}}$为softmax，即当前样本分为第i类的概率。

论文中当分类层为2个类别时，可视化后的特征（即上面公式中的）如下，均为径向放射状分布（图片来自center loss的论文）。

特征径向放射状分布，原因如下图所示。假设${{w}_{1}}$和${{w}_{2}}$为分类层两个类别的权重向量。$x$为某个特征（图中对应${{x}_{1}}$和${{x}_{2}}$，指代优化前后的特征），且假定该特征对应类别为${{w}_{1}}$。由softmax loss的公式可见，若使得loss更小，需要当前样本正确分类的概率$\frac{{{e}^{W_{yi}^{T}{{x}_{i}}+{{b}_{yi}}}}}{\sum\limits_{j=1}^{n}{{{e}^{W_{j}^{T}{{x}_{i}}+{{b}_{j}}}}}}$更大，进一步需要${{e}^{W_{yi}^{T}{{x}_{i}}+{{b}_{yi}}}}$更大（或者说${{e}^{W_{yi}^{T}{{x}_{i}}+{{b}_{yi}}}}$增长的比${{e}^{W_{j}^{T}{{x}_{i}}+{{b}_{j}}}}|j\ne {{y}_{i}}$增长的更大）。

在忽略偏置$b$的情况下，由于$Wx\text{=}\left\| W \right\|\left\| x \right\|\cos (\theta )$，即$W$模长和$x$模长和$W$及$x$的夹角的乘积。若假定$\left\| W \right\|$不变，则有两种方式：

① 增大$\left\| x \right\|$，导致特征模长越来越大。

② 增大$\cos (\theta )$，即降低$W$及$x$的夹角$\theta $，因而导致$x$在$W$方向上径向分布。

综合起来，特征便呈现径向放射状分布。

下面举一个简单的例子。假设${{x}_{1}}$在${{w}_{1}}$和${{w}_{2}}$上投影是0.4，0.3，${{x}_{2}}$投影是0.8，0.6，由于cos作为权重，导致最终在${{w}_{1}}$上增加的幅度大于在${{w}_{2}}$上增加的幅度，样本被分为第一类的概率增大（loss减小），因而下一时刻（即${{x}_{2}}$）会越来越呈现放射状（离原点越来越远，对应分类概率越来越大）；另一方面，还需要分类正确，即$x$到${{w}_{1}}$的夹角${{\theta }_{1}}$小于$x$到${{w}_{2}}$的夹角${{\theta }_{2}}$，因而最终特征会沿着对应$W$的方向径向分布；综合起来，特征会呈现径向放射状分布。