如何在Keras中創(chuàng)建自定義損失函數(shù)？
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我們使用損失函數(shù)來計(jì)算一個(gè)給定的算法與它所訓(xùn)練的數(shù)據(jù)的匹配程度。損失計(jì)算是基于預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間的差異來做的。如果預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相差甚遠(yuǎn)，損失函數(shù)將得到一個(gè)非常大的數(shù)值。
Keras 是一個(gè)創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的庫(kù)，它是開源的，用 Python 語言編寫。Keras 不支持低級(jí)計(jì)算，但它運(yùn)行在諸如 Theano 和 TensorFlow 之類的庫(kù)上。
在本教程中，我們將使用 TensorFlow 作為 Keras backend。backend 是一個(gè) Keras 庫(kù)，用于執(zhí)行計(jì)算，如張量積、卷積和其他類似的活動(dòng)。
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keras 中常用的損失函數(shù)
如上所述，我們可以創(chuàng)建一個(gè)我們自己的自定義損失函數(shù);但是在這之前，討論現(xiàn)有的 Keras 損失函數(shù)是很好的。下面是兩個(gè)最常用的：
- 均方誤差
均方誤差(MSE)測(cè)量誤差平方的平均值。它是預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間的平均平方差。
- 平均絕對(duì)誤差
平均絕對(duì)誤差(MAE)是兩個(gè)連續(xù)變量之間差的度量，通常用 x 和 y 表示。平均絕對(duì)誤差是絕對(duì)誤差 e=y-x 的平均值，其中 y 是預(yù)測(cè)值，x 是實(shí)際值。
什么是自定義損失函數(shù)?
對(duì)于不同的損失函數(shù)，計(jì)算損失的公式有不同的定義。在某些情況下，我們可能需要使用 Keras 沒有提供的損失計(jì)算公式。在這種情況下，我們可以考慮定義和使用我們自己的損失函數(shù)。這種用戶定義的損失函數(shù)稱為自定義損失函數(shù)。
Keras 中的自定義損失函數(shù)可以以我們想要的方式提高機(jī)器學(xué)習(xí)模型的性能，并且對(duì)于更有效地解決特定問題非常有用。例如，假設(shè)我們正在構(gòu)建一個(gè)股票投資組合優(yōu)化模型。在這種情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)定制損失函數(shù)將有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)在錯(cuò)誤方向上預(yù)測(cè)價(jià)格變動(dòng)的巨大懲罰。
我們可以通過編寫一個(gè)返回標(biāo)量并接受兩個(gè)參數(shù)(即真值和預(yù)測(cè)值)的函數(shù)，在 Keras 中創(chuàng)建一個(gè)自定義損失函數(shù)。然后，我們將自定義損失函數(shù)傳遞給 model.compile 作為參數(shù)，就像處理任何其他損失函數(shù)一樣。
實(shí)現(xiàn)自定義損失函數(shù)
現(xiàn)在讓我們?yōu)槲覀兊?Keras 模型實(shí)現(xiàn)一個(gè)自定義的損失函數(shù)。首先，我們需要定義我們的 Keras 模型。我們的模型實(shí)例名是 keras_model，我們使用 keras 的 sequential()函數(shù)來創(chuàng)建模型。
我們有三個(gè)層，都是形狀為 64、64 和 1 的密集層。我們有一個(gè)為 1 的輸入形狀，我們使用 ReLU 激活函數(shù)(校正線性單位)。
一旦定義了模型，我們就需要定義我們的自定義損失函數(shù)。其實(shí)現(xiàn)如下所示。我們將實(shí)際值和預(yù)測(cè)值傳遞給這個(gè)函數(shù)。
注意，我們將實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的差除以 10，這是損失函數(shù)的自定義部分。在缺省損失函數(shù)中，實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的差值不除以 10。
記住，這完全取決于你的特定用例需要編寫什么樣的自定義損失函數(shù)。在這里我們除以 10，這意味著我們希望在計(jì)算過程中降低損失的大小。
在 MSE 的默認(rèn)情況下，損失的大小將是此自定義實(shí)現(xiàn)的 10 倍。因此，當(dāng)我們的損失值變得非常大并且計(jì)算變得非常昂貴時(shí)，我們可以使用這種定制的損失函數(shù)。
在這里，我們從這個(gè)函數(shù)返回一個(gè)標(biāo)量自定義損失值。
要進(jìn)一步使用自定義損失函數(shù)，我們需要定義優(yōu)化器。我們將在這里使用 RMSProp 優(yōu)化器。RMSprop 代表均方根傳播。RMSprop 優(yōu)化器類似于具有動(dòng)量的梯度下降。常用的優(yōu)化器被命名為 rmsprop、Adam 和 sgd。
我們需要將自定義的損失函數(shù)和優(yōu)化器傳遞給在模型實(shí)例上調(diào)用的 compile 方法。然后我們打印模型以確保編譯時(shí)沒有錯(cuò)誤。
現(xiàn)在是時(shí)候訓(xùn)練這個(gè)模型，看看它是否正常工作了。為此，我們?cè)谀Ｐ蜕鲜褂脭M合方法，傳遞自變量 x 和因變量 y 以及 epochs=100。
這里的目的是確保模型訓(xùn)練沒有任何錯(cuò)誤，并且隨著 epoch 數(shù)的增加，損失逐漸減少。你可以查看下圖中的模型訓(xùn)練的結(jié)果：
結(jié)語
在本文中，我們了解了什么是自定義損失函數(shù)，以及如何在 Keras 模型中定義一個(gè)損失函數(shù)。然后，我們使用自定義損失函數(shù)編譯了 Keras 模型。最后，我們成功地訓(xùn)練了模型，實(shí)現(xiàn)了自定義損失功能。
