干货——线性分类（中）
通过之前发布的“干货——线性分类（上）”，得到很多关注者的私信，今天就详细的把线性分类笔记（中）和（下）分享给大家，之后我们也会不短给大家带来一些基础的干货，让一些刚刚接触的小伙伴更快更准确地进入主题，更理解性地去学习！
上次我们讲到了线性分类器和一起图像的数据处理，今天接着开始说说分类器的事儿~
损失函数 Loss function
在上一节定义了从图像像素值到所属类别的评分函数（score function），该函数的参数是权重矩阵
回到之前那张猫的图像分类例子，它有针对“猫”，“狗”，“船”三个类别的分数。我们看到例子中权重值非常差，因为猫分类的得分非常低（-96.8），而狗（437.9）和船（61.95）比较高。我们将使用损失函数（Loss Function）（有时也叫代价函数Cost Function或目标函数Objective）来衡量我们对结果的不满意程度。直观地讲，当评分函数输出结果与真实结果之间差异越大，损失函数输出越大，反之越小。
多类支持向量机损失
Multiclass Support Vector Machine Loss
损失函数的具体形式多种多样。首先，介绍常用的多类支持向量机（SVM）损失函数。SVM的损失函数想要SVM在正确分类上的得分始终比不正确分类上的得分高出一个边界值
让我们更精确一些。回忆一下，第i个数据中包含图像
针对第i个数据的多类SVM的损失函数定义如下：
举例：用一个例子演示公式是如何计算的。假设有3个分类，并且得到了分值s=[13,-7,11]。其中第一个类别是正确类别，即
可以看到第一个部分结果是0，这是因为[-7-13+10]得到的是负数，经过max(0,-)函数处理后得到0。这一对类别分数和标签的损失值是0，这是因为正确分类的得分13与错误分类的得分-7的差为20，高于边界值10。而SVM只关心差距至少要大于10，更大的差值还是算作损失值为0。第二个部分计算[11-13+10]得到8。虽然正确分类的得分比不正确分类的得分要高（13>11），但是比10的边界值还是小了，分差只有2，这就是为什么损失值等于8。简而言之，SVM的损失函数想要正确分类类别
那么在这次的模型中，我们面对的是线性评分函数:
所以我们可以将损失函数的公式稍微改写一下：
其中
在结束这一小节前，还必须提一下的属于是关于0的阀值：max(0,-)函数，它常被称为铰链损失（hinge loss）。有时候会听到人们使用平方折叶损失SVM（即L2-SVM），它使用的是:
将更强烈（平方地而不是线性地）地惩罚过界的边界值。不使用平方是更标准的版本，但是在某些数据集中，平方折叶损失会工作得更好。可以通过交叉验证来决定到底使用哪个。
我们对于预测训练集数据分类标签的情况总有一些不满意的，而损失函数就能将这些不满意的程度量化。
多类SVM“想要”正确类别的分类分数比其他不正确分类类别的分数要高，而且至少高出delta的边界值。如果其他分类分数进入了红色的区域，甚至更高，那么就开始计算损失。如果没有这些情况，损失值为0。我们的目标是找到一些权重，它们既能够让训练集中的数据样例满足这些限制，也能让总的损失值尽可能地低。
正则化（Regularization）
上面损失函数有一个问题。假设有一个数据集和一个权重集W能够正确地分类每个数据（即所有的边界都满足，对于所有的i都有
换句话说，我们希望能向某些特定的权重W添加一些偏好，对其他权重则不添加，以此来消除模糊性。这一点是能够实现的，方法是向损失函数增加一个正则化惩罚（regularization penalty）
上面的表达式中，将W中所有元素平方后求和。注意正则化函数不是数据的函数，仅基于权重。包含正则化惩罚后，就能够给出完整的多类SVM损失函数了，它由两个部分组成：数据损失（data loss），即所有样例的的平均损失
将其展开完整公式是：
其中，N是训练集的数据量。现在正则化惩罚添加到了损失函数里面，并用超参数
除了上述理由外，引入正则化惩罚还带来很多良好的性质，这些性质大多会在后续章节介绍。比如引入了L2惩罚后，SVM们就有了最大边界（max margin）这一良好性质。（如果感兴趣，可以查看CS229课程）。
其中最好的性质就是对大数值权重进行惩罚，可以提升其泛化能力，因为这就意味着没有哪个维度能够独自对于整体分值有过大的影响。举个例子，假设输入向量
其中最好的性质就是对大数值权重进行惩罚，可以提升其泛化能力，因为这就意味着没有哪个维度能够独自对于整体分值有过大的影响。举个例子，假设输入向量x=[1,1,1,]，两个权重向量w1=[1,0,0,0]，w2=[]0.25,0.25,0.25,0.25]。那么
两个权重向量都得到同样的内积，但是
需要注意的是，和权重不同，偏差没有这样的效果，因为它们并不控制输入维度上的影响强度。因此通常只对权重W正则化，而不正则化偏差b。在实际操作中，可发现这一操作的影响可忽略不计。最后，因为正则化惩罚的存在，不可能在所有的例子中得到0的损失值，这是因为只有当W=0的特殊情况下，才能得到损失值为0。
需要注意的是，和权重不同，偏差没有这样的效果，因为它们并不控制输入维度上的影响强度。因此通常只对权重正则化，而不正则化偏差。在实际操作中，可发现这一操作的影响可忽略不计。最后，因为正则化惩罚的存在，不可能在所有的例子中得到0的损失值，这是因为只有当的特殊情况下，才能得到损失值为0。
代码
下面是一个无正则化部分的损失函数的Python实现，有非向量化和半向量化两个形式：
def L_i(x, y, W): """ unvectorized version. Compute the multiclass svm loss for a single example (x,y) - x is a column vector representing an image (e.g. 3073 x 1 in CIFAR-10) with an appended bias dimension in the 3073-rd position (i.e. bias trick) - y is an integer giving index of correct class (e.g. between 0 and 9 in CIFAR-10) - W is the weight matrix (e.g. 10 x 3073 in CIFAR-10) """ delta = 1.0 # see notes about delta later in this section scores = W.dot(x) # scores becomes of size 10 x 1, the scores for each class correct_class_score = scores[y] D = W.shape[0] # number of classes, e.g. 10 loss_i = 0.0 for j in xrange(D): # iterate over all wrong classes if j == y: # skip for the true class to only loop over incorrect classes continue # accumulate loss for the i-th example loss_i += max(0, scores[j] - correct_class_score + delta) return loss_idef L_i_vectorized(x, y, W): """ A faster half-vectorized implementation. half-vectorized refers to the fact that for a single example the implementation contains no for loops, but there is still one loop over the examples (outside this function) """ delta = 1.0 scores = W.dot(x) # compute the margins for all classes in one vector operation margins = np.maximum(0, scores - scores[y] + delta) # on y-th position scores[y] - scores[y] canceled and gave delta. We want # to ignore the y-th position and only consider margin on max wrong class margins[y] = 0 loss_i = np.sum(margins) return loss_idef L(X, y, W): """ fully-vectorized implementation : - X holds all the training examples as columns (e.g. 3073 x 50,000 in CIFAR-10) - y is array of integers specifying correct class (e.g. 50,000-D array) - W are weights (e.g. 10 x 3073) """ # evaluate loss over all examples in X without using any for loops # left as exercise to reader in the assignment
在本小节的学习中，一定要记得SVM损失采取了一种特殊的方法，使得能够衡量对于训练数据预测分类和实际分类标签的一致性。还有，对训练集中数据做出准确分类预测和让损失值最小化这两件事是等价的。
接下来要做的，就是找到能够使损失值最小化的权重了。
实际考虑
设置Delta：你可能注意到上面的内容对超参数
理解这一点的关键是要知道，权重W的大小对于分类分值有直接影响（当然对他们的差异也有直接影响）：当我们将W中值缩小，分类分值之间的差异也变小，反之亦然。因此，不同分类分值之间的边界的具体值（比如
与二元支持向量机（Binary Support Vector Machine）的关系：在学习本课程前，你可能对于二元支持向量机有些经验，它对于第i个数据的损失计算公式是：
其中，C是一个超参数，并且
可以认为本章节介绍的SVM公式包含了上述公式，上述公式是多类支持向量机公式只有两个分类类别的特例。也就是说，如果我们要分类的类别只有两个，那么公式就化为二元SVM公式。这个公式中的C和多类SVM公式中的
备注：在初始形式中进行最优化。如果在本课程之前学习过SVM，那么对kernels，duals，SMO算法等将有所耳闻。在本课程（主要是神经网络相关）中，损失函数的最优化的始终在非限制初始形式下进行。很多这些损失函数从技术上来说是不可微的（比如当x=y时，max(x,y)函数就不可微分），但是在实际操作中并不存在问题，因为通常可以使用次梯度。
备注：其他多类SVM公式。需要指出的是，本课中展示的多类SVM只是多种SVM公式中的一种。另一种常用的公式是One-Vs-All（OVA）SVM，它针对每个类和其他类训练一个独立的二元分类器。还有另一种更少用的叫做All-Vs-All（AVA）策略。我们的公式是按照Weston and Watkins 1999 (pdf)版本，比OVA性能更强（在构建有一个多类数据集的情况下，这个版本可以在损失值上取到0，而OVA就不行。感兴趣的话在论文中查阅细节）。最后一个需要知道的公式是Structured SVM，它将正确分类的分类分值和非正确分类中的最高分值的边界最大化。理解这些公式的差异超出了本课程的范围。本课程笔记介绍的版本可以在实践中安全使用，而被论证为最简单的OVA策略在实践中看起来也能工作的同样出色（在 Rikin等人2004年的论文In Defense of One-Vs-All Classification (pdf)中可查）。
线性分类笔记（中）完。
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