交叉熵 相对熵(KL散度/互熵)

香农熵

熵考察(香农熵)的是单个的信息(分布)的期望:反映了一个系统的无序化(有序化)程度,一个系统越有序,信息熵就越低,反之就越高。


交叉熵

交叉熵考察的是两个的信息(分布)的期望:

交叉熵和熵,相当于,协方差和方差



相对熵

相对熵考察两个信息(分布)之间的不相似性:

所谓相对,自然在两个随机变量之间。又称互熵,Kullback–Leibler divergence(K-L 散度)等。设p(x)和q(x)是X取值的两个概率分布,则p对q的相对熵为:


在一定程度上,熵可以度量两个随机变量的距离。KL 散度是两个概率分布 P 和 Q 差别的非对称性的度量。KL 散度是用来度量使用基于 Q 的编码来编码来自 P 的样本平均所需的额外的位元数。

典型情况下,P 表示数据的真实分布,Q 表示数据的理论分布,模型分布,或 P 的近似分布。

相对熵的性质,相对熵(KL散度)有两个主要的性质。如下

(1)尽管 KL 散度从直观上是个度量或距离函数,但它并不是一个真正的度量或者距离,因为它不具有对称性,即


(2)相对熵的值为非负值,即



三者之间的关系:


简森不等式与 KL散度:


因为−lnx是凸函数,所以满足,凸函数的简森不等式的性质:

这里我们令f(⋅)=−lnx,则其是关于x的凸函数,因此:

也即 KL 散度恒大于等于 0;



联合熵

联合熵:(X,Y)在一起时的不确定性度量



条件熵

条件熵:    X确定时,Y的不确定性度量

              在X发生是前提下,Y发生新带来的熵。



联系:


如果是回归问题的,使用平方损失函数。分类问题建议使用交叉熵损失,用平方损失会出现如下问题:在误差较大时,损失函数比较平坦,更新较慢,还会出现梯度为0的情况,期望的情况是训练完成时,到达某个极值点,这时梯度为0,所以就没办法判断训练是否完成了。交叉熵损失就不会出现这种情况,在远离目标的时候,曲线比较陡峭。




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