科学空间|Scientific Spaces

Softmax，顾名思义是“soft的max”，是$\max$算子（准确来说是$\text{argmax}$）的光滑近似，它通过指数归一化将任意向量$\boldsymbol{x}\in\mathbb{R}^n$转化为分量非负且和为1的新向量，并允许我们通过温度参数来调节它与$\text{argmax}$（的one hot形式）的近似程度。除了指数归一化外，我们此前在《通向概率分布之路：盘点Softmax及其替代品》也介绍过其他一些能实现相同效果的方案。

我们知道，最大值通常又称Top-1，它的光滑近似方案看起来已经相当成熟，那读者有没有思考过，一般的Top-$k$的光滑近似又是怎么样的呢？下面让我们一起来探讨一下这个问题。

问题描述

设向量$\boldsymbol{x}=(x_1,x_2,\cdots,x_n)\in\mathbb{R}^n$，简单起见我们假设它们两两不相等，即$i\neq j \Leftrightarrow x_i\neq x_j$。记$\Omega_k(\boldsymbol{x})$为$\boldsymbol{x}$最大的$k$个分量的下标集合，即$|\Omega_k(\boldsymbol{x})|=k$以及$\forall i\in \Omega_k(\boldsymbol{x}), j \not\in \Omega_k(\boldsymbol{x})\Rightarrow x_i > x_j$。我们定义Top-$k$算子$\mathcal{T}_k$为$\mathbb{R}^n\mapsto\{0,1\}^n$的映射：
\begin{equation}
[\mathcal{T}_k(\boldsymbol{x})]_i = \left\{\begin{aligned}1,\,\, i\in \Omega_k(\boldsymbol{x}) \\ 0,\,\, i \not\in \Omega_k(\boldsymbol{x})\end{aligned}\right.
\end{equation}
说白了，如果$x_i$属于最大的$k$个元素之一，那么对应的位置变成1，否则变成0，最终结果是一个Multi-Hot向量，比如$\mathcal{T}_2([3,2,1,4]) = [1,0,0,1]$。

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众所周知，分类问题的常规评估指标是正确率，而标准的损失函数则是交叉熵，交叉熵有着收敛快的优点，但它并非是正确率的光滑近似，这就带来了训练和预测的不一致性问题。另一方面，当训练样本的预测概率很低时，交叉熵会给出一个非常巨大的损失（趋于$-\log 0^{+}=\infty$），这意味着交叉熵会特别关注预测概率低的样本——哪怕这个样本可能是“脏数据”。所以，交叉熵训练出来的模型往往有过度自信现象，即每个样本都给出较高的预测概率，这会带来两个副作用：一是对脏数据的过度拟合带来的效果下降，二是预测的概率值无法作为不确定性的良好指标。

围绕交叉熵的改进，学术界一直都有持续输出，目前这方面的研究仍处于“八仙过海，各显神通”的状态，没有标准答案。在这篇文章中，我们来学习一下论文《Tailoring Language Generation Models under Total Variation Distance》给出的该问题的又一种简明的候选方案。

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（注：本文的相关内容已整理成论文《ZLPR: A Novel Loss for Multi-label Classification》，如需引用可以直接引用英文论文，谢谢。）

在《将“Softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题》中，我们提出了一个用于多标签分类的损失函数：
\begin{equation}\log \left(1 + \sum\limits_{i\in\Omega_{neg}} e^{s_i}\right) + \log \left(1 + \sum\limits_{j\in\Omega_{pos}} e^{-s_j}\right)\label{eq:original}\end{equation}
这个损失函数有着单标签分类中“Softmax+交叉熵”的优点，即便在正负类不平衡的依然能够有效工作。但从这个损失函数的形式我们可以看到，它只适用于“硬标签”，这就意味着label smoothing、mixup等技巧就没法用了。本文则尝试解决这个问题，提出上述损失函数的一个软标签版本。

巧妙联系

多标签分类的经典方案就是转化为多个二分类问题，即每个类别用sigmoid函数$\sigma(x)=1/(1+e^{-x})$激活，然后各自用二分类交叉熵损失。当正负类别极其不平衡时，这种做法的表现通常会比较糟糕，而相比之下损失$\eqref{eq:original}$通常是一个更优的选择。

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在机器学习中，我们经常会碰到不光滑的函数，但我们的优化方法通常是基于梯度的，这意味着光滑的模型可能更利于优化（梯度是连续的），所以就有了寻找非光滑函数的光滑近似的需求。事实上，本博客已经多次讨论过相关主题，比如《寻求一个光滑的最大值函数》、《函数光滑化杂谈：不可导函数的可导逼近》等，但以往的讨论在方法上并没有什么通用性。

不过，笔者从最近的一篇论文《SAU: Smooth activation function using convolution with approximate identities》学习到了一种比较通用的思路：用狄拉克函数来构造光滑近似。通用到什么程度呢？理论上有可数个间断点的函数都可以用它来构造光滑近似！个人感觉还是非常有意思的。

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类别不平衡问题，也称为长尾分布问题，在本博客里已经有好几次相关讨论了，比如《从loss的硬截断、软化到focal loss》、《将“Softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题》、《通过互信息思想来缓解类别不平衡问题》。对于缓解类别不平衡，比较基本的方法就是调节样本权重，看起来“高端”一点的方法则是各种魔改loss了（比如Focal Loss、Dice Loss、Logits Adjustment等），本文希望比较系统地理解一下它们之间的联系。

长尾分布：少数类别的样本数目非常多，多数类别的样本数目非常少。

从光滑准确率到交叉熵

这里的分析主要以sigmoid的2分类为主，但多数结论可以平行推广到softmax的多分类。设$x$为输入，$y\in\{0,1\}$为目标，$p_{\theta}(x) \in [0, 1]$为模型。理想情况下，当然是要评测什么指标，我们就去优化那个指标。对于分类问题来说，最朴素的指标当然就是准确率，但准确率并没有办法提供有效的梯度，所以不能直接来训练。

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（注：本文的相关内容已整理成论文《ZLPR: A Novel Loss for Multi-label Classification》，如需引用可以直接引用英文论文，谢谢。）

一般来说，在处理常规的多分类问题时，我们会在模型的最后用一个全连接层输出每个类的分数，然后用softmax激活并用交叉熵作为损失函数。在这篇文章里，我们尝试将“Softmax+交叉熵”方案推广到多标签分类场景，希望能得到用于多标签分类任务的、不需要特别调整类权重和阈值的loss。

类别不平衡

单标签到多标签

一般来说，多分类问题指的就是单标签分类问题，即从$n$个候选类别中选$1$个目标类别。假设各个类的得分分别为$s_1,s_2,
\dots,s_n$，目标类为$t\in\{1,2,\dots,n\}$，那么所用的loss为
\begin{equation}-\log \frac{e^{s_t}}{\sum\limits_{i=1}^n e^{s_i}}= - s_t + \log \sum\limits_{i=1}^n e^{s_i}\label{eq:log-softmax}\end{equation}
这个loss的优化方向是让目标类的得分$s_t$变为$s_1,s_2,\dots,s_t$中的最大值。关于softmax的相关内容，还可以参考《寻求一个光滑的最大值函数》、《函数光滑化杂谈：不可导函数的可导逼近》等文章。

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一般来说，神经网络处理的东西都是连续的浮点数，标准的输出也是连续型的数字。但实际问题中，我们很多时候都需要一个离散的结果，比如分类问题中我们希望输出正确的类别，“类别”是离散的，“类别的概率”才是连续的；又比如我们很多任务的评测指标实际上都是离散的，比如分类问题的正确率和F1、机器翻译中的BLEU，等等。

还是以分类问题为例，常见的评测指标是正确率，而常见的损失函数是交叉熵。交叉熵的降低与正确率的提升确实会有一定的关联，但它们不是绝对的单调相关关系。换句话说，交叉熵下降了，正确率不一定上升。显然，如果能用正确率的相反数做损失函数，那是最理想的，但正确率是不可导的（涉及到$\text{argmax}$等操作），所以没法直接用。

这时候一般有两种解决方案；一是动用强化学习，将正确率设为奖励函数，这是“用牛刀杀鸡”的方案；另外一种是试图给正确率找一个光滑可导的近似公式。本文就来探讨一下常见的不可导函数的光滑近似，有时候我们称之为“光滑化”，有时候我们也称之为“软化”。

max

后面谈到的大部分内容，基础点就是$\max$操作的光滑近似，我们有：
\begin{equation}\max(x_1,x_2,\dots,x_n) = \lim_{K\to +\infty}\frac{1}{K}\log\left(\sum_{i=1}^n e^{K x_i}\right)\end{equation}

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在最优化问题中，求一个函数的最大值或最小值，最直接的方法是求导，然后比较各阶极值的大小。然而，我们所要优化的函数往往不一定可导，比如函数中含有最大值函数$\max(x,y)$的。这时候就得求助于其他思路了。有一个很巧妙的思路是，将这些不可导函数用一个可导的函数来近似它，从而我们用求极值的方法来求出它近似的最优值。本文的任务，就是探究一个简单而有用的函数，它能够作为最大值函数的近似，并且具有多阶导数。下面是笔者给出的一个推导过程。

在数学分析中，笔者已经学习过一个关于最大值函数的公式，即当$x \geq 0, y \geq 0$时，我们有
$$\max(x,y)=\frac{1}{2}\left(|x+y|+|x-y|\right)\tag{1}$$
那么，为了寻求一个最大值的函数，我们首先可以考虑寻找一个能够近似表示绝对值$|x|$的函数，这样我们就把问题从二维降低到一维了。那么，哪个函数可以使用呢？

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