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如何應用損失度量來懲罰在多標簽分類問題中預測全零?

2021-11-08 03:40:28 作業系統

假設我有一個分類問題,它有 30 個潛在的二元標簽。這些標簽并不相互排斥。標簽往往是稀疏的——平均而言,每 30 個標簽有 1 個正標簽,但有時不止 1 個。在下面的代碼中,我如何通過預測全零來懲罰模型?準確率會很高,但召回率會很糟糕!

import numpy as np
from tensorflow.keras.layers import Input, Dense
from tensorflow.keras.models import Model


OUTPUT_NODES = 30
np.random.seed(0)


def get_dataset():
    """
    Get a dataset of X and y. This is a learnable problem as there is some signal in the features. 10% of the time, a
    positive-output's index will also have a positive feature for that index
    :return: X and y data for training
    """
    n_observations = 30000
    y = np.random.rand(n_observations, OUTPUT_NODES)
    y = (y <= (1 / OUTPUT_NODES)).astype(int)  # Makes a sparse output where there is roughly 1 positive label: ((1 / OUTPUT_NODES) * OUTPUT_NODES ≈ 1)

    X = np.zeros((n_observations, OUTPUT_NODES))
    for i in range(len(y)):
        for j, feature in enumerate(y[i]):
            if feature == 1:
                X[i][j] = 1 if np.random.rand(1) > 0.9 else 0  # Makes the input features more noisy
                # X[i][j] = 1  # Using this instead will make the model perform very well

    return X, y


def create_model():
    input_layer = Input(shape=(OUTPUT_NODES, ))
    dense1 = Dense(100, activation='relu')(input_layer)
    dense2 = Dense(100, activation='relu')(dense1)
    output_layer = Dense(30, activation='sigmoid')(dense2)

    model = Model(inputs=input_layer, outputs=output_layer)
    model.compile(optimizer='adam', loss='binary_crossentropy', metrics=['Recall'])

    return model


def main():
    X, y = get_dataset()
    model = create_model()
    model.fit(X, y, epochs=10, batch_size=10)

    X_pred = np.random.randint(0, 2, (100, OUTPUT_NODES))
    y_pred = model.predict(X_pred)

    print(X_pred)
    print(y_pred.round(1))


if __name__ == '__main__':
    main()

我相信我在這里讀到我可以使用:

weighted_cross_entropy_with_logits

來解決這個問題。這將如何影響我最終輸出層的激活函式?我必須要有激活函式嗎?如何指定對真正類的錯誤分類的懲罰?

uj5u.com熱心網友回復:

好的,這是一個有趣的問題
首先你需要定義一個加權交叉熵損失包裝器:

def wce_logits(positive_class_weight=1.):
  def mylossw(y_true, logits):
    cross_entropy = tf.reduce_mean(tf.nn.weighted_cross_entropy_with_logits(logits=logits, labels=tf.cast(y_true, dtype=tf.float32), pos_weight=positive_class_weight))
    return cross_entropy
  return mylossw

所述positive_class_weight被施加到正類的資料。您需要tf.nn.weighted_cross_entropy_with_logits 的這個包裝器來獲得一個將 y_true 和 y_pred (僅)作為輸入的損失函式。請注意,您必須將 y_true 轉換為 float32。

其次,您不能使用預定義的 Recall,因為它不適用于 logits。在這個討論中找到了一個解決方法

class Recall(tf.keras.metrics.Recall):
    def __init__(self, from_logits=False, *args, **kwargs):
        super().__init__(*args, **kwargs)
        self._from_logits = from_logits

    def update_state(self, y_true, y_pred, sample_weight=None):
        if self._from_logits:
            super(Recall, self).update_state(y_true, tf.nn.sigmoid(y_pred), sample_weight)
        else:
            super(Recall, self).update_state(y_true, y_pred, sample_weight)

最后,您需要在使用 logits 時從最后一層洗掉 sigmoid 激活

def create_model():
    input_layer = Input(shape=(OUTPUT_NODES, ))
    dense1 = Dense(100, activation='relu')(input_layer)
    dense2 = Dense(100, activation='relu')(dense1)
    output_layer = Dense(30)(dense2)

    model = Model(inputs=input_layer, outputs=output_layer)
    model.compile(optimizer='adam', loss=wce_logits(positive_class_weight=27.), metrics=[Recall(from_logits=True)])

    return model

請注意,這里的正權重設定為 27。您可以閱讀有關如何正確計算重量的討論

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/caozuo/351802.html

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