损失函数

Loss Function/Cost Function

损失函数度量模型一次预测的好坏，风险函数度量平均意义下模型预测的好坏。

1. 损失函数(loss function)或代价函数(cost function) 损失函数定义为给定输入$X$ 预测值$f(X)$和真实值$Y$之间的非负实值函数，记作$L(Y,f(X))$

2. 风险函数(risk function)或期望损失(expected loss) 这个和模型的泛化误差的形式是一样的 $R_{exp}(f)=E_p[L(Y,f(X))]={\int }_{\mathcal{X}\times \mathcal{Y}}L(y,f(x))P(x,y)\mathrm{d}x\mathrm{d}y$ 模型$f(X)$ 于联合分布$P(X,Y)$ 平均意义下的损失(期望损失)，但是因为$P(X,Y)$ 未知的，所以前面的用词是期望，以及平均意义下的。

   这个表示其实就是损失的均值，反映了对整个数据的预测效果的好坏，$P(x,y)$ 换成$\frac{\nu (X=x,Y=y)}{N}$ 容易直观理解, 可以参考CH09，6.2.2 节的部分描述来理解，但是真实的数据 N 是无穷的。

3. 经验风险(empirical risk)或经验损失(empirical loss) $R_{emp}(f)=\frac{1}{N}\sum _{i=1}^{N}L(y_i,f(x_i))$ 模型$f$ 于训练样本集的平均损失 根据大数定律，当样本容量 N 趋于无穷大时，经验风险趋于期望风险

4. 结构风险(structural risk) $R_{srm}(f)=\frac{1}{N}\sum _{i=1}^{N}L(y_i,f(x_i))+\lambda J(f)$ $J(f)$ 模型复杂度, $\lambda ⩾0$​ 是系数，用以权衡经验风险和模型复杂度。

Mean Square Error(MSE)

均方误差指的就是模型预测值$f(x)$ 样本真实值$y$ 间距离平方的平均值。

$$MSE=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m(y_i-f(x_i){)}^2$$

其中，$y_i$ $f(x_i)$ 别表示第 $i$ 样本的真实值和预测值，$m$ 样本个数。 为了简化讨论，忽略下标$i$，$m=1$，以$y-f(x)$​ 为横坐标，MSE 为纵坐标，绘制其损失函数的图 形：

特点

MSE 曲线的特点是光滑连续、可导，便于使用梯度下降算法，是比较常用的一种损失函数。而且，MSE 随着误差的减小，梯度也在减小，这有利于函数的收敛，即使固定学习因子，函数也能较快取得最小值。平方误差有个特性，就是当 $y_i$ 与 $f(x_i)$ 的差值大于 1 时，会增大其误差；当 $y_i$ 与$f(x_i)$ 的差值小于 1 时，会减小其误差。这是由平方的特性决定的。也就是说， MSE 会对误差较大（>1）的情况给予更大的惩罚，对误差较小（<1）的情况给予更小的惩罚。从训练的角度来看，模型会更加偏向于惩罚较大的点，赋予其更大的权重。 如果样本中存在离群点，MSE 会给离群点赋予更高的权重，但是却是以牺牲其他正常数据点的预测效果为代价，这最终会降低模型的整体性能。

Mean Absolute Error(MAE)

$$MAE=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m|y_i-f(x_i)|$$

为了简化讨论，忽略下标$i$，$m=1$，以 $y-f(x)$​ 为横坐标，MAE 为纵坐标，绘制其损失函数的图 形：

直观上来看，MAE 的曲线呈 V 字型，连续但在 $y-f(x)=0$​ 处不可导，计算机求解导数比较困难。而且 MAE 大部分情况下梯度都是相等的，这意味着即使对于小的损失值，其梯度也是大的。这不利于函数的收敛和模型的学习。 值得一提的是，MAE 相比 MSE 有个优点就是 MAE 对离群点不那么敏感，更有包容性。因为 MAE 计算的是误差 $y-f(x)$ 的绝对值，无论是 $y-f(x)>1$ 是$y-f(x)<1$​，没有平方项的作用，惩罚力度都是一样的，所占权重一样。实际应用中，我们应该选择 MSE 还是 MAE 呢？从计算机求解梯度的复杂度来说，MSE 要优于 MAE，而且梯度也是动态变化的，能较快准确达到收敛。但是从离群点角度来看，如果离群点是实际数据或重要数据，而且是应该被检测到的异常值，那么我们应该使用 MSE。另一方面，离群点仅仅代表数据损坏或者错误采样，无须给予过多关注，那么我们应该选择 MAE 作为损失。

Huber Loss

$$L_{\delta }(y,f(x))=\{\begin{array}{ll}\frac{1}{2}(y-f(x){)}^2& \mid y-f(x)\mid \le \delta \\ \delta \mid y-f(x)\mid -\frac{1}{2}{\delta }^2& \mid y-f(x)\mid >\delta \end{array}$$

Huber Loss 是对二者(MSE/MAE)的综合，包含了一个超参数$\delta$。$\delta$ 的大小决定了 Huber Loss 对 MSE 和 MAE 的侧重性， 当 $\mid y-f(x)\mid \le \delta$ 时， 变为 MSE； 当 $\mid y-f(x)\mid >\delta$ 时， 则变成类似于 MAE，因此 Huber Loss 同时具备了 MSE 和 MAE 的优点，减小了对离群点的敏感度问题，实现了处处可导的功能。通常来说，超参数 $\delta$​ 可以通过交叉验证选取最佳值。下面，分别取 $\delta =0.1$、$\delta =10$​，绘制相应的 Huber Loss，如下图所示：

Huber Loss 在$\mid y-f(x)\mid >\delta$ 时，梯度一直近似为$\delta$，能够保证模型以一个较快的速度更新参数。当 $\mid y-f(x)\mid \le \delta$ 时，梯度逐渐减小，能够保证模型更精确地得到全局最优值。因此，Huber Loss 同时具备了前两种损失函数的优点。

0-1 loss

$$L(Y,f(X))=\{\begin{array}{ll}1,& Y\ne f(X)\\ 0,& Y=f(X)\end{array}$$

特点：

(1)0-1 损失函数直接对应分类判断错误的个数，但是它是一个非凸函数，不太适用.

(2)感知机就是用的这种损失函数。但是相等这个条件太过严格，因此可以放宽条件，即满足$\mid Y-f(X)\mid <T$​​ 时认为相等，

$$L(Y,f(X))=\{\begin{array}{ll}1,& \mid Y-f(X)\mid \ge T\\ 0,& \mid Y-f(X)\mid <T\end{array}$$

Quadratic Loss

$$L(Y,f(X))=(Y-f(X){)}^2$$

特点：

经常应用与回归问题

Logarithmic Loss

$$L(Y,P(Y|X))=-\log P(Y|X)$$

这里$P(Y|X)⩽1$，对应的对数是负值，所以对数损失中包含一个负号.

(1) log 对数损失函数能非常好的表征概率分布，在很多场景尤其是多分类，如果需要知道结果属于每个类别的置信度，那它非常适合。

(2)健壮性不强，相比于 hinge loss 对噪声更敏感。

(3)逻辑回归的损失函数就是 log 对数损失函数。

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。Hinge loss 用于二分类问题，标签值$y=\pm 1$​​​，预测值$\hat{y}\in R$​​​。当$y$​​​ 和$\hat{y}$​​​ 同号，且$\mid \hat{y}\mid \ge 1$​​​ ，此时$l(y)=0$​​​；而当预测$\mid \hat{y}\mid <1$​​​​​ 时，分类器对分类结果不确定，loss 不为 0。

$$l(y)=max(0,1-\hat{y}y)$$

$\hat{y}y\ge 1$​​​，损失为 0；

$\hat{y}y<1$，损失为$1-\hat{y}y$

特点：

• hinge 损失函数表示如果被分类正确，损失为 0，否则损失就为$1-\hat{y}y$ 。SVM就是使用这个损失函数。

• 健壮性相对较高，对异常点、噪声不敏感，但它没太好的概率解释。

perceptron loss

感知损失函数的标准形式如下：

$$L(y,f(x))=max(0,-f(x))$$

特点：

是 Hinge 损失函数的一个变种，Hinge loss 对判定边界附近的点(正确端)惩罚力度很高。而 perceptron loss只要样本的判定类别正确的话，它就满意，不管其判定边界的距离。它比 Hinge loss 简单，因为不是 max-margin boundary，所以模型的泛化能力没 hinge loss 强。

Cross-entropy loss

分布差异度量方式 (opens new window)

Exponential Loss

Exponential Loss，又称指数损失，其表达式如下：

$$L=e^{-ys}$$

Exponential Loss 与交叉熵 Loss 类似，但它是指数下降的，因此梯度较其它 Loss 来说，更大一些。Exponential Loss 一般多用于 AdaBoost 中。因为使用 Exponential Loss 能比较方便地利用加法模型推导出 AdaBoost 算法。

Modified Huber Loss

在之前介绍回归损失函数，我们介绍过 Huber Loss，它集合了 MSE 和 MAE 的优点。Huber Loss 也能应用于分类问题中，称为 Modified Huber Loss，其表达是如下：

$$L(y,s)=\{\begin{array}{ll}max(0,1-ys{)}^2,& ys\ge -1\\ -4ys,& ys<-1\end{array}$$

从表达式和 Loss 图形上看，Modified Huber Loss 结合了 Hinge Loss 和 交叉熵 Loss 的优点。一方面能在$ys>1$ 时产生稀疏解提高训练效率；另一方面对于 $ys<-1$​ 样本的惩罚以线性增加，这意味着受异常点的干扰较少。scikit-learn 中的 SGDClassifier 就使用了 Modified Huber Loss。

References

机器学习基础（四十二）—— 常用损失函数的设计（multiclass SVM loss & hinge loss）_https://space.bilibili.com/59807853-CSDN 博客 (opens new window)

常见的损失函数(loss function)总结 - 知乎 (zhihu.com) (opens new window)

常见回归和分类损失函数比较 - massquantity - 博客园 (cnblogs.com) (opens new window)