深度学习_损失函数(MSE、MAE、SmoothL1_loss...)

2024-02-06 10:28:04

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总结对比MSE损失函数，MAE损失函数以及Smooth L1_loss损失函数的优缺点

1、常见的MSE、MAE损失函数

1.1、均方误差MSE

均方误差（Mean Square Error,MSE）是回归损失函数中最常用的误差，它是预测值f(x)与目标值y之间差值平方和的均值，其公式如下所示：

下图是均方误差值的曲线分布，其中最小值为预测值为目标值的位置。我们可以看到随着误差的增加损失函数增加的更为迅猛。

优点：MSE的函数曲线光滑、连续，处处可导，便于使用梯度下降算法，是一种常用的损失函数。而且，随着误差的减小，梯度也在减小，这有利于收敛，即使使用固定的学习速率，也能较快的收敛到最小值。
缺点：当真实值y和预测值f(x)的差值大于1时，会放大误差；而当差值小于1时，则会缩小误差，这是平方运算决定的。MSE对于较大的误差(>1)给予较大的惩罚，较小的误差(<1）给予较小的惩罚。也就是说，对离群点比较敏感，受其影响较大。

如果样本中存在离群点，MSE会给离群点更高的权重，这就会牺牲其他正常点数据的预测效果，最终降低整体的模型性能。如下图：

可见，使用 MSE 损失函数，受离群点的影响较大，虽然样本中只有 5 个离群点，但是拟合的直线还是比较偏向于离群点。

1.2、平均绝对误差MAE

平均绝对误差（MAE）是另一种常用的回归损失函数，它是目标值与预测值之差绝对值和的均值，表示了预测值的平均误差幅度，而不需要考虑误差的方向（注：平均偏差误差MBE则是考虑的方向的误差，是残差的和），范围是0到∞，其公式如下所示：

优点：相比于MSE，MAE有个优点就是，对于离群点不那么敏感。因为MAE计算的是误差(y-f(x))的绝对值，对于任意大小的差值，其惩罚都是固定的。无论对于什么样的输入值，都有着稳定的梯度，不会导致梯度爆炸问题，具有较为稳健性的解。
缺点：MAE曲线连续，但是在(y-f(x)=0)处不可导。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。

针对上面带有离群点的数据，MAE的效果要好于MSE。

显然，使用 MAE 损失函数，受离群点的影响较小，拟合直线能够较好地表征正常数据的分布情况。

1.3、MSE与MAE的选择

从梯度的求解以及收敛上，MSE是优于MAE的。MSE处处可导，而且梯度值也是动态变化的，能够快速的收敛；而MAE在0点处不可导，且其梯度保持不变。对于很小的损失值其梯度也很大，在深度学习中，就需要使用变化的学习率，在损失值很小时降低学习率。
对离群（异常）值得处理上，MAE要明显好于MSE。

如果离群点（异常值）需要被检测出来，则可以选择MSE作为损失函数；如果离群点只是当做受损的数据处理，则可以选择MAE作为损失函数。

总之，MAE作为损失函数更稳定，并且对离群值不敏感，但是其导数不连续，求解效率低。另外，在深度学习中，收敛较慢。MSE导数求解速度高，但是其对离群值敏感，不过可以将离群值的导数设为0（导数值大于某个阈值）来避免这种情况。

在某些情况下，上述两种损失函数都不能满足需求。例如，若数据中90%的样本对应的目标值为150，剩下10%在0到30之间。那么使用MAE作为损失函数的模型可能会忽视10%的异常点，而对所有样本的预测值都为150。这是因为模型会按中位数来预测。而使用MSE的模型则会给出很多介于0到30的预测值，因为模型会向异常点偏移。

这种情况下，MSE和MAE都是不可取的，简单的办法是对目标变量进行变换，或者使用别的损失函数，例如：Huber,Log-Cosh以及分位数损失等。

2、L1_Loss和L2_Loss

2.1、L1_Loss和L2_Loss

L1范数损失函数，也被称为最小绝对值偏差（LAD），最小绝对值误差（LAE）。总的说来，它是把目标值y与估计值f(xi)的绝对差值的总和S最小化：
L2范数损失函数，也被称为最小平方误差（LSE）。总的来说，它是把目标值y与估计值f(xi)的差值的平方和S最小化：

L1范数与L2范数作为损失函数的区别总结如下：

总结：实际上我们发现，其实所谓的L1_Loss与L2_Loss与前面说的MAE、MSE损失函数只是差一个1/n的区别，所以他们的优点和缺点是互通的。

2.2、几个关键的概念

鲁棒性
因为与最小平方相比，最小绝对值偏差方法的鲁棒性更好，因此，它在许多场合都有应用。最小绝对值偏差之所以是鲁棒的，是因为它能处理数据中的异常值。这或许在那些异常值可能被安全地和有效地忽略的研究中很有用。如果需要考虑任一或全部的异常值，那么最小平方误差是更好的选择。
从直观上说，因为L2范数将误差平方化（如果误差大于1，则误差会放大很多），模型的误差会比L1范数来得大，因此模型会对这个样本更加敏感，这就需要调整模型来最小化误差。如果这个样本是一个异常值，模型就需要调整以适应单个的异常值，这会牺牲许多其它正常的样本，因为这些正常样本的误差比这单个的异常值的误差小。
稳定性
最小绝对值偏差方法的不稳定性意味着，对于数据集的一个小的水平方向的波动，回归线也许会跳跃很大。在一些数据结构（data configurations）上，该方法有许多连续解；但是，对数据集的一个微小移动，就会跳过某个数据结构在一定区域内的许多连续解。（The method has continuous solutions for some data configurations; however, by moving a datum a small amount, one could “jump past” a configuration which has multiple solutions that span a region. ）在跳过这个区域内的解后，最小绝对值偏差线可能会比之前的线有更大的倾斜。相反地，最小平方法的解是稳定的，因为对于一个数据点的任何微小波动，回归线总是只会发生轻微移动；也就说，回归参数是数据集的连续函数。

3、Smooth L1损失函数（也被称为 Huber 损失函数）

在Faster R-CNN以及SSD中对边框的回归使用的损失函数都是Smooth (L_1) 作为损失函数。其实顾名思义，smooth L1说的是光滑之后的L1，前面说过了L1损失的缺点就是有折点，不光滑，那如何让其变得光滑呢？
smooth L1损失函数为：

其中，

Smooth L1能从两个方面限制梯度：

当预测框与 ground truth 差别过大时，梯度值不至于过大；
当预测框与 ground truth 差别很小时，梯度值足够小。

从上面可以看出，该函数实际上就是一个分段函数，在[-1,1]之间实际上就是L2损失，这样解决了L1的不光滑问题，在[-1,1]区间外，实际上就是L1损失，这样就解决了离群点梯度爆炸的问题。

pytorch实现1

torch.nn.SmoothL1Loss(reduction='mean')

pytorch实现2

def _smooth_l1_loss(input, target, reduction='none'):
    # type: (Tensor, Tensor) -> Tensor
    t = torch.abs(input - target)
    ret = torch.where(t < 1, 0.5 * t ** 2, t - 0.5)
    if reduction != 'none':
        ret = torch.mean(ret) if reduction == 'mean' else torch.sum(ret)
    return ret

也可以添加个参数beta 这样就可以控制，什么范围的误差使用MSE，什么范围内的误差使用MAE了。
pytorch实现3

def smooth_l1_loss(input, target, beta=1. / 9, reduction = 'none'):
    """
    very similar to the smooth_l1_loss from pytorch, but with
    the extra beta parameter
    """
    n = torch.abs(input - target)
    cond = n < beta
    ret = torch.where(cond, 0.5 * n ** 2 / beta, n - 0.5 * beta)
    if reduction != 'none':
        ret = torch.mean(ret) if reduction == 'mean' else torch.sum(ret)
    return ret

4、总结

对于大多数CNN网络，我们一般是使用L2-loss而不是L1-loss，因为L2-loss的收敛速度要比L1-loss要快得多。

对于边框预测回归问题，通常也可以选择平方损失函数（L2损失），但L2范数的缺点是当存在离群点（outliers)的时候，这些点会占loss的主要组成部分。比如说真实值为1，预测10次，有一次预测值为1000，其余次的预测值为1左右，显然loss值主要由1000决定。所以FastRCNN采用稍微缓和一点绝对损失函数（smooth L1损失），它是随着误差线性增长，而不是平方增长。

Smooth L1 和 L1 Loss 函数的区别在于，L1 Loss 在0点处导数不唯一，可能影响收敛。Smooth L1的解决办法是在 0 点附近使用平方函数使得它更加平滑。

Smooth L1的优点

相比于L1损失函数，可以收敛得更快；
相比于L2损失函数，对离群点、异常值不敏感，梯度变化相对更小，训练时不容易跑飞。

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