Křížová entropie

Křížová entropie mezi dvěma rozděleními pravděpodobnosti $p$ a $q$ se stejnou podkladovou množinou událostí míry je v teorii informace průměrný počet bitů potřebných pro identifikaci události vybrané z množiny, jestliže kódovací schéma používané pro množinu je optimalizované pro odhadnuté rozdělení pravděpodobnosti $q$ místo skutečného rozdělení $p$.

Definice

Křížová entropie rozdělení $q$ vůči rozdělení $p$ na dané množině je definovaná takto:

$H(p,q)=-\operatorname {E} _{p}[\log q]$.

Jiná definice používá Kullbackovu–Leiblerovu divergenci $D_{\mathrm {KL} }(p\|q)$ rozdělení $p$ z $q$ (neboli relativní entropie rozdělení $q$ vzhledem k $p$):

$H(p,q)=H(p)+D_{\mathrm {KL} }(p\|q)$,

kde $H(p)$ je entropie rozdělení $p$.

Pro diskrétní pravděpodobnostní distribuce $p$ a $q$ se stejným nosičem ${\mathcal {X}}$ to znamená

$H(p,q)=-\sum _{x\in {\mathcal {X}}}p(x)\,\log q(x)$ (rovnice 1)

Pro spojité distribuce je situace analogická. Musíme předpokládat, že $p$ a $q$ jsou absolutně spojité vzhledem k nějaké referenční míře $r$ (obvykle je $r$ Lebesgueova míra na Borelovské σ-algebře). Nechť $P$ a $Q$ jsou hustoty pravděpodobností rozdělení $p$ a $q$ vzhledem k $r$. Pak

$-\int _{\mathcal {X}}P(x)\,\log Q(x)\,dr(x)=\operatorname {E} _{p}[-\log Q]$

a tedy

$H(p,q)=-\int _{\mathcal {X}}P(x)\,\log Q(x)\,dr(x)$ (rovnice 2)

Poznámka: Notace $H(p,q)$ se používá také pro jinou veličinu, sdruženou entropii rozdělení $p$ a $q$.

Motivace

Kraftova–McMillanova věta v teorii informace říká, že jakékoli přímo dekódovatelné kódovací schéma pro kódování zprávy identifikující jednu hodnotu $x_{i}$ ze sady možností $\{x_{1},...,x_{n}\}$ můžeme považovat za reprezentaci implicitního rozdělení pravděpodobnosti $q(x_{i})=\left({\frac {1}{2}}\right)^{l_{i}}$ pro $\{x_{1},...,x_{n}\}$, kde $l_{i}$ je délka kódu pro $x_{i}$ v bitech. Proto lze křížovou entropii interpretovat jako očekávanou délku zprávy pro zakódování jedné položky, když předpokládáme nějaké rozdělení $q$, zatímco data mají ve skutečnosti rozdělení $p$. To znamená, že očekávané hodnoty se berou ze skutečného rozdělení pravděpodobnosti $p$ místo z $q$. Očekávaná délka zprávy při skutečném rozdělení $p$ je

$\operatorname {E} _{p}[l]=-\operatorname {E} _{p}\left[{\frac {\ln {q(x)}}{\ln(2)}}\right]=-\operatorname {E} _{p}\left[\log _{2}{q(x)}\right]=-\sum _{x_{i}}p(x_{i})\,\log _{2}{q(x_{i})}=-\sum _{x}p(x)\,\log _{2}q(x)=H(p,q)$

Odhad

Je mnoho situací, kdy by bylo třeba měřit křížovou entropii, ale rozdělení $p$ je neznámé. Příkladem je jazykové modelování, kde model je vytvořen na trénovací množině $T$ a jeho křížová entropie je pak měřena na testovací množině pro zhodnocení, jak je model přesný v predikci testovacích dat. V tomto příkladě je $p$ skutečné rozdělení slov v nějakém korpusu a $q$ je rozdělení slov predikované modelem. Protože skutečné rozdělení je neznámé, nelze křížovou entropii přímo spočítat. V takovém případě se odhad křížové entropie počítá pomocí vzorce:

$H(T,q)=-\sum _{i=1}^{N}{\frac {1}{N}}\log _{2}q(x_{i})$

kde $N$ je velikost testovací množiny a $q(x)$ je pravděpodobnost události $x$ odhadnuté z trénovací množiny. Suma se počítá přes $N$. Toto je pravděpodobnostní (Monte Carlo) odhad skutečné křížové entropie, při kterém testovací množinu považujeme za vzorek z $p(x)$.

Vztah k logaritmické věrohodnosti

U klasifikačních problémů chceme odhadnout pravděpodobnost jednotlivých výsledků. Pokud odhadnutá pravděpodobnost výsledku $i$ je $q_{i}$, zatímco frekvence (empirická pravděpodobnost) výsledku $i$ v trénovací množině je $p_{i}$ a v trénovací množině je N vzorků, pak věrohodnost trénovací množiny je

$\prod _{i}q_{i}^{Np_{i}}$

a logaritmická věrohodnost vydělená $N$ je

${\frac {1}{N}}\log \prod _{i}q_{i}^{Np_{i}}=\sum _{i}p_{i}\log q_{i}=-H(p,q)$

takže maximalizace věrohodnosti je totéž jako minimalizace křížové entropie.

Minimalizace křížové entropie

Minimalizace křížové entropie se často používá při optimalizaci a odhadu pravděpodobnosti řídkých událostí; viz metoda křížové entropie.

Při porovnávání rozdělení $q$ s pevným referenčním rozdělením $p$ jsou křížová entropie a KL divergence identické až na aditivní konstantu (protože $p$ je pevné): obě nabývají pro $p=q$ své minimální hodnoty, která je $0$ pro KL divergenci a $\mathrm {H} (p)$ pro křížovou entropii. V inženýrské literatuře se postup minimalizace KL divergence (Kullbackův "Princip minimální diskriminace informace") často nazývá Princip minimální křížové entropie (MCE, z anglického Principle of Minimum Cross-Entropy) nebo Minxent.

Jak je však diskutováno v článku Kullbackova–Leiblerova divergence, někdy je rozdělení $q$ fixováno před referenčním rozdělením a rozdělení $p$ je optimalizováno, aby bylo co nejbližší k $q$, při platnosti určitých omezení. V takovém případě obě minimalizace nejsou ekvivalentní. To vedlo k určité nejednoznačnosti v literatuře, protože někteří autoři usilovali vyřešit nekonzistenci tím, že termínem křížová entropie označují $D_{\mathrm {KL} }(p\|q)$ místo $H(p,q)$.

Nákladová funkce křížové entropie a logistická regrese

Křížovou entropii lze použít pro definování nákladové funkce při strojovém učení a optimalizaci. Skutečná pravděpodobnost $p_{i}$ je skutečný popisek a dané rozdělení $q_{i}$ je predikovanou hodnotou současného modelu.

Konkrétněji uvažujme logistickou regresi, kterou lze (mimo jiné) použít pro klasifikaci pozorování do dvou možných tříd (často značených $0$ a $1$). Výstup modelu pro určité pozorování dané vektorem vstupních vlastností $x$ lze interpretovat jako pravděpodobnost, což slouží jako základ pro klasifikaci pozorování. Pravděpodobnost je znázorněna pomocí logistické funkce $g(z)=1/(1+e^{-z})$ kde $z$ je nějaká funkce vstupního vektoru $x$, obvykle pouze lineární funkce. Pravděpodobnost výstupu $y=1$ je

$q_{y=1}\ =\ {\hat {y}}\ \equiv \ g(\mathbf {w} \cdot \mathbf {x} )\ =1/(1+e^{-\mathbf {w} \cdot \mathbf {x} }),$

kde vektor vah $\mathbf {w}$ je optimalizován pomocí nějakého vhodného algoritmu, jako například metodou gradientního spádu. Podobně komplementární pravděpodobnost hledání výstup $y=0$ je

$q_{y=0}\ =\ 1-{\hat {y}}$

Při použití notace $p\in \{y,1-y\}$ a $q\in \{{\hat {y}},1-{\hat {y}}\}$ můžeme používat křížovou entropii pro získání míry odlišnosti mezi $p$ a $q$:

$H(p,q)\ =\ -\sum _{i}p_{i}\log q_{i}\ =\ -y\log {\hat {y}}-(1-y)\log(1-{\hat {y}})$

Typická nákladová funkce, kterou používáme v logistické regresi, se počítá jako průměr všech křížových entropií ve vzorku. Pokud například máme $N$ vzorků indexovaných $n=1,\dots ,N$, bude nákladová funkce

${\begin{aligned}J(\mathbf {w} )\ &=\ {\frac {1}{N}}\sum _{n=1}^{N}H(p_{n},q_{n})\ =\ -{\frac {1}{N}}\sum _{n=1}^{N}\ {\bigg [}y_{n}\log {\hat {y}}_{n}+(1-y_{n})\log(1-{\hat {y}}_{n}){\bigg ]}\,,\end{aligned}}$

kde ${\hat {y}}_{n}\equiv g(\mathbf {w} \cdot \mathbf {x} _{n})=1/(1+e^{-\mathbf {w} \cdot \mathbf {x} _{n}})$ a $g(z)$ je logistická funkce stejně jako výše.

Logistická ztráta se někdy nazývá ztráta křížové entropie nebo logaritmická ztráta (V tomto případě se třídy zpravidla označují hodnotami {-1,+1}).

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku cross entropy na anglické Wikipedii.

Související články

• Metoda křížové entropie
• Logistická regrese
• Podmíněná entropie
• Metoda maximální věrohodnosti
• Vzájemná informace

Externí odkazy

• What is cross-entropy, and why use it? Archivováno 18. 12. 2019 na Wayback Machine.
• Cross Entropy