【转载】铰链损失函数(Hinge Loss)的理解
Hinge Loss
在机器学习中,hinge loss作为一个损失函数(loss function),通常被用于最大间隔算法(maximum-margin),而最大间隔算法又是SVM(支持向量机support vector machines)用到的重要算法(注意:SVM的学习算法有两种解释:1. 间隔最大化与拉格朗日对偶;2. Hinge Loss)。
Hinge loss专用于二分类问题,标签值,预测值。该二分类问题的目标函数的要求如下:
当大于等于+1或者小于等于-1时,都是分类器确定的分类结果,此时的损失函数loss为0;而当预测值时,分类器对分类结果不确定,loss不为0。显然,当时,loss达到最大值。
如果你想到了一个可以定义这种loss的函数,那说明有成为数学家的潜质。想不到的话就乖乖的往下看:hinge loss出场。
对于输出,当前的损失为:
上式是Hinge loss在二分类问题的的变体,可以看做双向Hinge loss。难以理解的话,可以先看单方向的hinge loss。以y=+1,为例。当时,loss为0,否则loss线性增大。函数图像如下所示:
图片来源:机器学习基础(四十二)—— 常用损失函数的设计(multiclass SVM loss & hinge loss)
Hinge loss在SVM中的应用
SVM在简单情况下(线性可分情况下)使用的就是一个最大间隔算法。几何意义如下图所示(实心的数据点就是该类别的支持向量),最大化分离超平面到两个类别的支持向量之间的距离 。
图片来源:知乎-支持向量机(SVM)是什么意思?
线性可分SVM的预测值,其中和都是分类器通过样本学习到的参数。正如前面所说,。如果分离超平面在如上图所示的位置(这是最大分割情况)并且支持向量与分割平面之间的距离=1,每个的样本其,每个的样本其,每个点的Hinge loss为0,整体loss作为平均值,也等于0。 如果分割超平面误分类,则Hinge loss大于0。Hinge loss驱动分割超平面作出调整。 如果分割超平面距离支持向量的距离小于1,则Hinge loss大于0,且就算分离超平面满足最大间隔,Hinge loss仍大于0
拓展
再强调一下,使用Hinge loss的分类器的。越大,说明样本点离分割超平面越远,即该样本点很容易被分类。但是,我们在选择合适的损失函数进行优化时,没必要关注那些离超平面很远的样本。为此,我们可以通过对距分离超平面的距离选择一个阈值,来过滤这些离超平面很远的样本。这就是Hinge loss的精髓,,式中的1就是我们选择的阈值,这个可以作为一个超参数。通过一个max(0, )函数,忽略值过高的情况。
SVM
这个思想可以拓展到SVM的多分类问题。SVM的多分类有两种损失函数:
其中,表示对于某一标签值,分类器错误预测的最大值,表示正确的分类器预测值,表示分类阈值。注意:即使是分类器,也是先产生预测值,再根据预测值和分类阈值进行分类的。
其中,表示错误的分类器预测值,表示正确的分类器预测值,表示分类阈值。
如下图SVM的预测结果所示:
图片来源:CS231n 2016 通关 第三章-SVM与Softmax
运用公式1:
的Hinge loss
的Hinge loss
的Hinge loss
则
运用公式2:
也差不多,最后的结果是,然后再求平均。PS: 公式2在实际中应用更多。
SSVM
Hinge loss的变体也被应用于Structured SVMs中。这里不太懂…
优化
Hinge loss是一个凸函数(convex function),所以适用所有的机器学习凸优化方法。
虽然Hinge loss函数不可微,但我们可以求它的分段梯度:
当然,Hinge loss的梯度在点处未定义。
平滑
为了解决Hinge loss的优化问题,现在有两种平滑(smoothed)策略: