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損失函數 Loss

對於 Regression 問題，常用最小平方法當損失函數。

對於分類問題，常用 CrossEntropy + Softmax 當損失函數

Softmax 的反傳遞數學公式

• Softmax with cross-entropy (超讚)
• Backpropagation with softmax outputs and cross-entropy cost (讚)
• softmax 输出层数学原理推导
• Backpropagation with Softmax / Cross Entropy

ChatGPT:

Softmax 函數是一種常用於多分類任務的激活函數，在深度學習中被廣泛使用。它可以將一個長度為 $n$ 的向量 $\textbf{x}$ 轉換成一個長度仍然為 $n$ 的向量 $\textbf{y}$，其中每個元素 $y_i$ 表示 $\textbf{x}$ 屬於第 $i$ 類的概率。Softmax 函數的數學公式如下：

$$ y_i=\frac{\exp(x_i)}{\sum_{j=1}^n\exp(x_j)},\text{ for }i=1,2,\dots,n. $$

其中， $x_i$ 是向量 $\textbf{x}$ 的第 $i$ 個元素， $y_i$ 則是向量 $\textbf{y}$ 的第 $i$ 個元素。這個公式包含兩個步驟：首先，對向量 $\textbf{x}$ 中的每個元素 $x_i$ 做指數運算，得到一個新的向量 $\textbf{e}=\big(\exp(x_1),\exp(x_2),\dots,\exp(x_n)\big)$；其次，將向量 $\textbf{e}$ 中的每個元素除以向量 $\textbf{e}$ 的元素總和，得到一個長度為 $n$ 的概率分佈向量 $\textbf{y}$。

為了進行反向傳播計算，需要計算 Softmax 函數對每個輸入 $x_i$ 的梯度，即 $\frac{\partial y_i}{\partial x_j}$，其中 $i,j=1,2,\dots,n$。我們可以首先對 $y_i$ 做求導：

$$ \begin{aligned} \frac{\partial y_i}{\partial x_j}&=\frac{\partial}{\partial x_j}\frac{\exp(x_i)}{\sum_{k=1}^n\exp(x_k)} \\ &=\frac{\exp(x_i)\frac{\partial}{\partial x_j}\sum_{k=1}^n\exp(x_k)-\frac{\partial}{\partial x_j}\exp(x_i)\sum_{k=1}^n\exp(x_k)}{\left(\sum_{k=1}^n\exp(x_k)\right)^2}. \end{aligned} $$

當 $i\neq j$ 時， $\frac{\partial}{\partial x_j}\exp(x_i)=0$；當 $i=j$ 時， $\frac{\partial}{\partial x_j}\exp(x_i)=\exp(x_i)$。因此，上式可以簡化為：

$$ \frac{\partial y_i}{\partial x_j}=\begin{cases}\displaystyle y_i(1-y_j),&\text{if }i=j,\\ -y_i y_j,&\text{if }i\neq j. \end{cases} $$

這個結果可以表示成矩陣形式，即 $\frac{\partial \textbf{y}}{\partial \textbf{x}}=\text{diag}(\textbf{y})-\textbf{y}\textbf{y}^\top$ ，其中 $\text{diag}(\textbf{y})$ 表示將 $\textbf{y}$ 中的元素放在主對角線上，其他位置填充為零的對角矩陣。

總結一下，Softmax 函數的反向傳播計算可以分為兩個步驟：首先，計算 Softmax 函數的輸出向量 $\textbf{y}$；其次，根據上面的公式計算 Softmax 函數對輸入向量 $\textbf{x}$ 的梯度。這個過程可以用矩陣形式表示，並且可以通過求解矩陣乘法和向量加法得到。

CrossEntropy 的反傳遞數學公式

ChatGPT:

CrossEntropy 是用來評估機器學習模型機率預測的好壞程度，通常用於分類問題中。

給定 $n$ 個樣本數據，假設對於第 $i$ 個樣本，真實分類為 $y_i$，模型預測為 $p_i$，則 CrossEntropy 的公式如下：

$$ H(p, q) = -\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n y_i \log{p_i} + (1-y_i)\log{(1-p_i)} $$

其中 $p_i$ 是指模型對於樣本 $i$ 屬於正類的機率， $y_i$ 則是指樣本 $i$ 的實際標籤，如果是正類則為 1，反之則為 0。

在反向傳播算法中，我們需要對 CrossEntropy 的損失函數求梯度，這樣才能進行參數的更新。假設 $L$ 為損失函數， $w$ 為參數向量，則 $L$ 對於 $w$ 的梯度可表示為：

$$ \nabla_w L = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(p_i-y_i)x_i $$

其中 $x_i$ 是指樣本 $i$ 的特徵向量。根據此公式，可以使用梯度下降算法或其它優化方法，以最小化 CrossEntropy 損失。

Regression 問題最小平方法的反傳遞公式

最小平方法（Least Squares Method）是迴歸分析中常見的一種方法，用來求解線性回歸模型的參數。在求解參數時，通常使用的是最小二乘法（Ordinary Least Squares, OLS）。

最小二乘法的基本思想是：將所有觀測點到回歸直線的距離平方和最小化，即：

$$\min_{\beta_0, \beta_1} \sum_{i=1}^n (y_i - \beta_0 - \beta_1 x_i)^2$$

其中 $y_i$ 是因變量的觀測值， $x_i$ 是自變量的觀測值， $\beta_0$ 和 $\beta_1$ 是回歸係數（截距和斜率）。

最小二乘法中的模型參數可以通過求解以下方程組得到：

$$ \begin{bmatrix} n & \sum_{i=1}^n x_i \\ \sum_{i=1}^n x_i & \sum_{i=1}^n x_i^2 \\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \beta_0 \\ \beta_1 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \sum_{i=1}^n y_i \\ \sum_{i=1}^n x_i y_i \\ \end{bmatrix} $$

其中 $n$ 是樣本數。

反傳遞（backpropagation）是一種用於多層神經網絡中的參數更新算法，通常用於解決回歸和分類問題。在反傳遞算法中，通過計算損失函數對欲求解參數的偏導數進行階段性反向傳播，以獲得損失函數對於每個欲求解參數的梯度信息，進而使用梯度下降等優化算法對參數進行更新。

對於線性回歸問題，我們可以將最小二乘法的求解過程看作是一種反傳遞算法，其中回歸係數就是神經網絡中的權重參數。

最小二乘法的參數更新規則可以表示為：

$$\begin{aligned} \beta_0 &= \beta_0 - \alpha \frac{\partial J}{\partial \beta_0} \\ \beta_1 &= \beta_1 - \alpha \frac{\partial J}{\partial \beta_1} \end{aligned}$$

其中 $\alpha$ 是學習率， $J$ 是損失函數。

根據最小二乘法的定義，損失函數為：

$$J = \frac{1}{2} \sum_{i=1}^n (y_i - \beta_0 - \beta_1 x_i)^2$$

對 $\beta_0$ 和 $\beta_1$ 求偏導數得到：

$$\begin{aligned} \frac{\partial J}{\partial \beta_0} &= \sum_{i=1}^n (y_i - \beta_0 - \beta_1 x_i)(-1) \\ &= -\sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y_i}) \end{aligned}$$

$$\begin{aligned} \frac{\partial J}{\partial \beta_1} &= \sum_{i=1}^n (y_i - \beta_0 - \beta_1 x_i)(-x_i) \\ &= -\sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y_i}) x_i \end{aligned}$$

其中 $\hat{y_i}$ 是模型對於第 $i$ 條樣本的預測值。

因此，最小二乘法的反傳遞公式（參數更新規則）可以表示為：

$$\begin{aligned} \beta_0 &= \beta_0 + \alpha \sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y_i}) \\ \beta_1 &= \beta_1 + \alpha \sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y_i}) x_i \end{aligned}$$

其中 $\alpha$ 是學習率。