机器学习-——损失函数

###基础概念

损失函数（loss function）是用来估量你模型的预测值f(x)与真实值Y的不一致程度，换句话，可以解释为我们构建模型得到的预测值与真实值之间的差距。它是一个非负实值函数,通常使用L(Y, f(x))来表示，损失函数越小，模型的鲁棒性就越好。损失函数是经验风险函数的核心部分，也是结构风险函数重要组成部分。模型的结构风险函数包括了经验风险项和正则项，通常可以表示成如下式子：

整个公式分为两个部分，前面部分是损失函数，后面部分是正则项，正则项常用的有L1和L2正则项，目的是防止过拟合。

###常用的损失函数
###均方误差（MSE）

均方误差（MSE）是最常用的回归损失函数。MSE是目标变量和预测值之间的平方距离之和。

均方差损失公式：

其中yip是预测结果，而yi是目标变量的真实值，二者的差值称之为残差。

###绝对误差（MAE）

平均绝对误差（MAE）是用于回归模型的另一个损失函数。MAE是目标和预测变量之间的绝对差异的总和。因此，它测量一组预测中的平均误差大小，而不考虑它们的方向。

平均绝对误差公式：

其中yip是预测结果，而yi是目标变量的真实值，二者的差值称之为残差。

###Huber Loss

Huber Loss是均方误差损失和绝对误差损失的综合体。

其公式为：

该误差是否逼近二次方取决于可以调整的超参数δ（delta）。当δ~0时， Huber损失接近MAE，当δ~∞（大数）时， Huber损耗接近MSE。

使用MAE训练神经网络的一个大问题是其持续的大梯度，可能导致损失函数不能收敛（错过最小值）。对于MSE，随着损失接近其最小值，梯度减小，使其更精确，但整体训练速度会比较慢。

Huber损失集成了二者的优点。

###0-1损失

0-1损失常用于二分类问题，0-1损失不连续、非凸，优化困难，0-1损失对每个错分类点都施以相同的惩罚，这样那些“错的离谱“ 的点并不会收到大的关注，这在直觉上不是很合适，因而常使用其他的代理损失函数进行优化。

0-1损失公式：

其中yf(x) > 0 ，则样本分类正确， yf(x) < 0 则分类错误，而相应的分类决策边界即为 f(x) = 0 。

###对数损失函数

对数损失, 即对数似然损失(Log-likelihood Loss), 也称逻辑斯谛回归损失(Logistic Loss)或交叉熵损失(cross-entropy Loss), 是在概率估计上定义的.它常用于逻辑回归和神经网络,以及一些期望极大算法的变体. 可用于评估分类器的概率输出.

对数损失的公式为：

其中, Y 为输出变量, X为输入变量, L 为损失函数. N为输入样本量, M为类别数, yij 是表示类别 j 是否是输入实例 xi 的真实类别. pij 为模型或分类器预测输入实例 xi 属于类别 j 的概率。

如果目标是进行二分类，则损失函数可以简化为：

###指数损失函数

指数损失是在原有的损失函数上套一层指数，在adaboost上使用的就是指数损失，在加性模型中指数损失的主要吸引点在于计算上的方便。

指数损失公式：

其中n为样本数量，yi是样本的真实值，f(xi)是第i次迭代模型的权重。

参考资料： https://heartbeat.fritz.ai/5-regression-loss-functions-all-machine-learners-should-know-4fb140e9d4b0