pytorch中的kl散度计算问题

在我们使用pytorch的时候会涉及到相对熵的使用，而有用过TensorFlow的小伙伴可能会发觉到pytorch的相对熵在使用上好像有一点奇怪，今天小编就来讲讲pytorch怎么计算相对熵，以及他为什么会有这些使用问题吧！

起因

小编偶然从pytorch讨论论坛中看到的一个问题，kl divergence 在TensorFlow中和pytorch中计算结果不同，平时没有注意到，记录下。

kl divergence 介绍

KL散度( Kullback–Leibler divergence)，又称相对熵，是描述两个概率分布 P 和 Q 差异的一种方法。计算公式:

相对熵计算公式

可以发现，P 和 Q 中元素的个数不用相等，只需要两个分布中的离散元素一致。

举个简单例子：

两个离散分布分布分别为 P 和 Q

P 的分布为：{1，1，2，2，3}

Q 的分布为：{1，1，1，1，1，2，3，3，3，3}

我们发现，虽然两个分布中元素个数不相同，P 的元素个数为 5，Q 的元素个数为 10。但里面的元素都有 “1”，“2”，“3” 这三个元素。

当 x = 1时，在 P 分布中，“1” 这个元素的个数为 2，故 P(x = 1) = 2/5 = 0.4，在 Q 分布中，“1” 这个元素的个数为 5，故 Q(x = 1) = 5/10 = 0.5

同理，

当 x = 2 时，P(x = 2) = 2/5 = 0.4 ，Q(x = 2) = 1/10 = 0.1

当 x = 3 时，P(x = 3) = 1/5 = 0.2 ，Q(x = 3) = 4/10 = 0.4

把上述概率带入公式：

公式计算

至此，就计算完成了两个离散变量分布的KL散度。

pytorch 中的 kl_div 函数

pytorch中有用于计算kl散度的函数 kl_div

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

代码运算

计算 D （p||q）

1、不用这个函数的计算结果为：

运算结果

与手算结果相同

2、使用函数：

（这是计算正确的，结果有差异是因为pytorch这个函数中默认的是以e为底）

另外一种使用结果

注意：

1、函数中的 p q 位置相反(也就是想要计算D(p||q)，要写成kl_div（q.log（），p）的形式)，而且q要先取 log

2、reduction 是选择对各部分结果做什么操作，默认为取平均数，这里选择求和

好别扭的用法，不知道为啥官方把它设计成这样

补充：pytorch 的KL divergence的实现

看代码吧~

import torch.nn.functional as F
# p_logit: [batch, class_num]
# q_logit: [batch, class_num]
def kl_categorical(p_logit, q_logit):
    p = F.softmax(p_logit, dim=-1)
    _kl = torch.sum(p * (F.log_softmax(p_logit, dim=-1)
                                  - F.log_softmax(q_logit, dim=-1)), 1)
    return torch.mean(_kl)

以上就是pytorch怎么计算相对熵的全部内容了，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持W3Cschool。