カテゴリカル交差エントロピー損失

多クラス分類器はクラスごとに確率を出力します（たとえばソフトマックスから）。カテゴリカル交差エントロピーは、正解クラスに低い確率を与えたときにペナルティを与えます。

loss = -(ln(p₁) + ln(p₂) + … + ln(pₙ)) / n

ここで pᵢ は、サンプル i の正解クラスにモデルが与えた確率です。ln(0) を避けるため、まず 0.0000001 未満の確率は 0.0000001 に引き上げてください。

categorical_cross_entropy(probabilities, labels) を実装してください。

入力

probabilities: サンプルごとに1行、クラスごとに1つの確率。

labels: 各サンプルの正解クラスのインデックス（0 から始まる）。

出力

平均損失を小数で返してください。

制約

1 ≤ サンプル数 ≤ 1,000、2 ≤ クラス数 ≤ 100

0 ≤ 各確率 ≤ 1

0 ≤ labels[i] < クラス数

例

例 1

入力：
probabilities = [
    [0.7, 0.2, 0.1],
    [0.1, 0.8, 0.1]
]
labels = [0, 1]

期待される出力：
0.289909

解説

正解クラスの確率は 0.7 と 0.8 です：-(ln(0.7) + ln(0.8)) / 2 = -(-0.356675 - 0.223144) / 2 ≈ 0.289909。

例 2

入力：
probabilities = [
    [1.0, 0.0]
]
labels = [1]

期待される出力：
16.118096

解説

正解クラスの確率は 0 で、0.0000001 に引き上げられるので、損失は -ln(0.0000001) ≈ 16.118096 です。自信満々の誤答には大きなペナルティがかかります。

参考資料

提出せずにサンプルテストでコードを確認できます。

例 1 未実行

入力：

probabilities = [
    [0.7, 0.2, 0.1],
    [0.1, 0.8, 0.1]
]
labels = [0, 1]

期待される出力：

0.289909

あなたの出力

例 2 未実行
入力：
```
probabilities = [
    [1.0, 0.0]
]
labels = [1]
```
期待される出力：
```
16.118096
```
あなたの出力

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🐹 この Go オンライン実行環境について

CodeUtility Go Executor は、インストールやセットアップ、ローカル環境なしでブラウザから直接 Go コードを記述・実行できます。安全なサンドボックスで動作し、実際の Go コンパイラのバージョン 1.19、1.20、1.21 に対応しています。

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単なるコードランナーではありません

同じ実行環境で、複数ファイル対応エディター、分離された実行ターミナル、ランタイム別ライブラリ、永続ワークスペース、共有、リアルタイム共同作業を利用できます。

この実行環境の使い方

ランタイムを選択し、ファイルを開くか作成してコードを記述し、［実行］を選択します。出力はターミナルに表示されます。サインインしたユーザーは、ワークスペースにファイルを保存し、ライブラリをインストールして、共有を通じて共同作業できます。

バージョンを選択して現在のファイルを編集するか、ワークスペース内の別のファイルを開きます。
コードを実行し、求められた場合はターミナルに入力して、保存された実行履歴を確認します。
複数のコードスニペットが必要な作業では、ライブラリ、ワークスペースツール、共有、チャットを利用します。

コーディングを開始する

バージョン実行する前にランタイムを選択します。インストールされたライブラリは、選択した言語バージョンに属します。
「開いているファイル」には、開いていないテキストファイルがリストされます。1 つを選択すると、利用可能なエディタータブで開きます。
「実行」は、プログラムで使用可能なワークスペースを使用してアクティブなファイルを実行します。
Stop は、制限時間前に現在の実行を終了します。
詳細モードでは、ファイルエクスプローラーと移動可能でサイズ変更可能なターミナルを備えた IDE レイアウトが開きます。

ワークスペースとライブラリ

新しいファイルは、選択した親ディレクトリにファイルを作成し、エディタで開きます。
新しいフォルダーは、サポートされているネストの深さまでのディレクトリを作成します。
ファイルをアップロードすると、1 つ以上の安全なファイルがディレクトリに追加されます。
ダウンロードでは、ファイルまたは圧縮されたディレクトリがデバイスに保存されます。
コピーは、ワークスペースファイルまたはディレクトリを複製します。
[名前の変更] を実行すると、ファイル名が変更され、開いているタブと履歴が更新されます。
Move は項目を再配置します。ファイルやディレクトリもドラッグできます。
削除は、確認後に項目を削除し、開いているエディタータブを閉じます。
プリインストールされたライブラリには、このランタイムにすでに含まれているパッケージが表示されます。
Add Lib は、アカウントと選択したランタイム用のプライベートパッケージをインストールします。

ターミナルとサポート

実行履歴により、前と次の保存された出力が開きます。
出力をコピーすると、現在の端末テキストがコピーされます。
出力をクリアすると、確認後に保存されている実行出力がすべて削除されます。
Explain ではアクティブなコードを要約します。
[最近] では、最近の説明と結果が開きます。
設定により、フォント、テーマ、表示されるツールバーボタンが変更されます。

共有とコラボレーション

共有は、現在のファイル、ディレクトリ、またはワークスペース全体をスナップショットまたはライブワークスペースとして公開します。リンクへのアクセスと変更を保存できるユーザーを制御します。
ログには、共有ワークスペースに保存されたコラボレーターのアクションが記録されます。
チャットを共有すると、サインインした参加者はメッセージを送信したり、メンバーにメンションしたり、コードブロックを共有したり、オンラインまたは入力中のメンバーを確認したりできます。
ライブコラボレーションでは、コラボレーターのカーソルと保存されたファイルの更新が表示されます。表示専用ユーザーは、最新バージョンをロードすることも、一時的な編集を保存することもできます。

割り当てと制限

実行時間は、サーバーの実行ごとに 20 秒に制限されます。より早く終了したい場合は、「停止」を使用します。
ワークスペースストレージでは、サインインしているユーザーのワークスペースと言語ごとに、ファイル 100 個、ディレクトリ 100 個、合計 10 MiB が許可されます。
ファイルとフォルダーは、ファイルごとに 1 MiB、ネストされたディレクトリレベルは 5 に制限されます。コードによって生成されたファイルは、同じクォータに従います。
プライベートライブラリは、アカウントおよびランタイムごとにインストールされるパッケージが 10 個に制限されています。
共有スナップショットには、ファイルあたり 1 MiB、合計 2 MiB まで、最大 100 個のファイルを含めることができます。
共有の招待は、共有ごとに最大 25 人をサポートし、アクセス権と保存権限は個別に管理されます。
チャットの共有では、メッセージあたり 2,000 文字、共有あたり 10,000 メッセージが許可されます。
クォータの強制は、コードの実行中にも適用されます。ファイル数、サイズ、ストレージ、またはネストの制限を超える書き込みは安全に拒否されます。

知っておくと便利 信頼できるコードのみを実行し、パッケージをインストールしてください。実行は分離され制限されていますが、プログラムは強制クォータまで書き込み可能なワークスペース内のファイルを変更できます。

💡 上で試せる Go の基本とサンプル

1. 変数と定数の宣言

変数は var または := で宣言します。定数は const を使います。

package main

var x int = 10
const Pi = 3.14

func main() {
    name := "Alice"
    isActive := true
    println(x, Pi, name, isActive)
}

2. 条件分岐（if / switch）

Go はクリーンな構文の if-else と switch をサポートします。

x := 2
if x == 1 {
    println("一")
} else if x == 2 {
    println("二")
} else {
    println("その他")
}

switch x {
case 1:
    println("一")
case 2:
    println("二")
default:
    println("その他")
}

3. ループ

Go には for だけがありますが、while のようにも使えます。

for i := 0; i < 3; i++ {
    println(i)
}

n := 3
for n > 0 {
    println(n)
    n--
}

4. 配列

配列は固定長です。可変長のリストにはスライスを使います。

var nums = [3]int{10, 20, 30}
println(nums[1])

5. スライス操作

スライスと組み込みの append、len、copy、およびスライス構文を使います。

fruits := []string{"apple", "banana"}
fruits = append(fruits, "cherry")
fruits = fruits[1:]  // スライス
println(len(fruits))

for _, fruit := range fruits {
    println(fruit)
}

6. コンソール入出力

fmt.Print、fmt.Scan、fmt.Println を使います。

import "fmt"

var name string
fmt.Print("名前を入力してください: ")
fmt.Scan(&name)
fmt.Println("こんにちは", name)

7. 関数

関数は func で宣言し、複数の戻り値を返せます。

func greet(name string) string {
    return "こんにちは、" + name
}

message := greet("Alice")
println(message)

8. マップ

マップはキーと値のストアです。make() で作成します。

ages := map[string]int{"Alice": 30}
ages["Bob"] = 25
println(ages["Alice"])

9. エラー処理

Go では例外の代わりに、エラーを複数戻り値で扱います。

import "errors"

func fail() error {
    return errors.New("問題が発生しました")
}

err := fail()
if err != nil {
    println(err.Error())
}

10. ファイル I/O

ファイルの読み書きには os と io/ioutil パッケージを使います。

import (
  "fmt"
  "os"
  "io/ioutil"
)

ioutil.WriteFile("file.txt", []byte("こんにちは、ファイル"), 0644)

data, _ := ioutil.ReadFile("file.txt")
fmt.Println(string(data))

11. 文字列操作

文字列操作には strings パッケージを使います。

import "strings"

text := "  Hello World  "
println(strings.TrimSpace(text))
println(strings.ToUpper(text))
println(strings.ReplaceAll(text, "Hello", "Hi"))

words := strings.Split(text, " ")
fmt.Println(words)

12. 構造体とオブジェクト

メソッド付きのカスタム型は struct で定義します。

type Person struct {
  Name string
}

func (p Person) Greet() string {
  return "こんにちは、私は " + p.Name
}

p := Person{Name: "Alice"}
println(p.Greet())

13. 参照（ポインタ）

Go は * と & を使ったポインタをサポートします。

x := 10
ptr := &x
*ptr = 20
println(x) // 20