pytorch 实现计算 kl散度 F.kl_div()

Faye ·

更新时间:2024-11-13

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先附上官方文档说明：https://pytorch.org/docs/stable/nn.functional.html

torch.nn.functional.kl_div(input, target, size_average=None, reduce=None, reduction='mean')

Parameters

input – Tensor of arbitrary shape

target – Tensor of the same shape as input

size_average (bool, optional) – Deprecated (see reduction). By default, the losses are averaged over each loss element in the batch. Note that for some losses, there multiple elements per sample. If the field size_average is set to False, the losses are instead summed for each minibatch. Ignored when reduce is False. Default: True

reduce (bool, optional) – Deprecated (see reduction). By default, the losses are averaged or summed over observations for each minibatch depending on size_average. When reduce is False, returns a loss per batch element instead and ignores size_average. Default: True

reduction (string, optional) – Specifies the reduction to apply to the output: 'none' | 'batchmean' | 'sum' | 'mean'. 'none': no reduction will be applied 'batchmean': the sum of the output will be divided by the batchsize 'sum': the output will be summed 'mean': the output will be divided by the number of elements in the output Default: 'mean'

然后看看怎么用：

第一个参数传入的是一个对数概率矩阵，第二个参数传入的是概率矩阵。这里很重要，不然求出来的kl散度可能是个负值。

比如现在我有两个矩阵X, Y。因为kl散度具有不对称性，存在一个指导和被指导的关系，因此这连个矩阵输入的顺序需要确定一下。

举个例子：

如果现在想用Y指导X，第一个参数要传X，第二个要传Y。就是被指导的放在前面，然后求相应的概率和对数概率就可以了。


import torch
import torch.nn.functional as F
# 定义两个矩阵
x = torch.randn((4, 5))
y = torch.randn((4, 5))
# 因为要用y指导x,所以求x的对数概率，y的概率
logp_x = F.log_softmax(x, dim=-1)
p_y = F.softmax(y, dim=-1)
kl_sum = F.kl_div(logp_x, p_y, reduction='sum')
kl_mean = F.kl_div(logp_x, p_y, reduction='mean')
print(kl_sum, kl_mean)
>>> tensor(3.4165) tensor(0.1708)

补充：pytorch中的kl散度，为什么kl散度是负数？

F.kl_div()或者nn.KLDivLoss()是pytroch中计算kl散度的函数，它的用法有很多需要注意的细节。

输入

第一个参数传入的是一个对数概率矩阵，第二个参数传入的是概率矩阵。并且因为kl散度具有不对称性，存在一个指导和被指导的关系，因此这连个矩阵输入的顺序需要确定一下。如果现在想用Y指导X，第一个参数要传X，第二个要传Y。就是被指导的放在前面，然后求相应的概率和对数概率就可以了。

所以，一随机初始化一个tensor为例，对于第一个输入，我们需要先对这个tensor进行softmax（确保各维度和为1），然后再取log；对于第二个输入，我们需要对这个tensor进行softmax。


import torch
import torch.nn.functional as F
a = torch.tensor([[0,0,1.1,2,0,10,0],[0,0,1,2,0,10,0]])
log_a =F.log_softmax(a)
b = torch.tensor([[0,0,1.1,2,0,7,0],[0,0,1,2,0,10,0]])
softmax_b =F.softmax(b,dim=-1)
kl_mean = F.kl_div(log_a, softmax_b, reduction='mean')
print(kl_mean)

为什么KL散度计算出来为负数

先确保对第一个输入进行了softmax+log操作，对第二个参数进行了softmax操作。不进行softmax操作就可能为负。

然后查看自己的输入是否是小数点后有很多位，当小数点后很多位的时候，pytorch下的softmax会产生各维度和不为1的现象，导致kl散度为负，如下所示：


a = torch.tensor([[0.,0,0.000001,0.0000002,0,0.0000007,0]])
log_a =F.log_softmax(a,dim=-1)
print("log_a:",log_a)
b = torch.tensor([[0.,0,0.000001,0.0000002,0,0.0000007,0]])
softmax_b =F.softmax(b,dim=-1)
print("softmax_b:",softmax_b)
kl_mean = F.kl_div(log_a, softmax_b,reduction='mean')
print("kl_mean:",kl_mean)

输出如下，我们可以看到softmax_b的各维度和不为1：