反向传播算法(Backpropagation)----Gradient Descent的推导过程

BP算法是适用于多层神经网络的一种算法,它是建立在梯度下降法的基础上的。本文着重推导怎样利用梯度下降法来minimise Loss Function。

给出多层神经网络的示意图:
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1.定义Loss Function

假设有一组数据样本x1x^{1}x2x^{2},… ,每一个x都有很多个特征,输入x,会得到一个输出y,每一个输出都对应一个损失函数L,将所有L加起来就是total loss。
那么每一个L该如何定义呢?这里还是采用了交叉熵,如下所示:
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这里的yiy^{i}是真实输出,y^y\hat{}是y target,是人为定义的。最终Total Loss的表达式如下:
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2.Gradient Descent

L对应了一个参数,即Network parameters θ(w1,w2…b1,b2…),那么Gradient Descent就是求出参数θ\theta^{*}来minimise Loss Function,即:
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梯度下降的具体步骤为:
图源:李宏毅机器学习讲稿

3.求偏微分

从上图可以看出,这里难点主要是求偏微分,由于L是所有损失之和,因此我们只需要对其中一个损失求偏微分,最后再求和即可。
先抽取一个简单的神经元来解释:在这里插入图片描述
先理一理各个变量之间的关系:我们要求的是Total Loss对参数w的偏导,而Total Loss是一个个小的l累加得到的,因此,我们只需要求得lw\frac{\partial l}{\partial w},而l=y^lnyl=-\hat{y}lny,其中y^\hat{y}是人为定义的,跟w没有关系,因此我们只需要知道yw\frac{\partial y}{\partial w}。l跟z有关系,根据链式求导法则,我们需要求lz\frac{\partial l}{\partial z}zw\frac{\partial z}{\partial w},其中zw\frac{\partial z}{\partial w}的求解较为容易,如下图所示:
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lz\frac{\partial l}{\partial z}是一个难点,因为我们并不知道后面到底有多少层,也不知道情况到底有多复杂,我们不妨先取一种最简单的情况,如下所示:
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4.反向传播

在第一张图里面,我们经过正向传播很容易求出了zw\frac{\partial z}{\partial w},而对于lz\frac{\partial l}{\partial z},则并不是那么好求。上图其实就是运用了反向传播的思想, 对于上图中lz\frac{\partial l}{\partial z}最后的表达式,我们可以换一种结构,如下所示:
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l对两个z的偏导我们假设是已知的,并且在这里是作为输入,三角形结构可以理解为一个乘法运算电路,其放大系数为σ(z)\sigma {}'(z)。但是在实际情况中,l对两个z的偏导是未知的。假设神经网络最终的结构就是如上图所示,那么我们的问题已经解决了:
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其中:
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但是假如该神经元不是最后一层,我们又该如何呢?比如又多了一层,如下所示:
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那么我们只要知道lza\frac{\partial l}{\partial z_{a}}lzb\frac{\partial l}{\partial z_{b}},我们同样可以算出lz\frac{\partial l}{\partial z{}'}以及lz\frac{\partial l}{\partial z{}''},原理跟上面类似,如下所示:

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lzb\frac{\partial l}{\partial z_{b}}同样是l先对y求导,y再对zbz_{b}求导。

那假设我们再加一层呢?再加两层呢?再加三层呢?。。。,情况还是一样的,还是先求l对最后一层z的导数,乘以权重相加后最后再乘上σ(z,z,...)\sigma {}'(z{}'',z{}''',...)即可。
最后给一个实例:
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它的反向传播图长这样:
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我们可以很轻松的算出lz5\frac{\partial l}{\partial z_{5}}lz6\frac{\partial l}{\partial z_{6}},算出这两个之后,根据上面我们找到的关系式,我们也可以轻易算出lz3\frac{\partial l}{\partial z_{3}}lz4\frac{\partial l}{\partial z_{4}},最后再算出lz1\frac{\partial l}{\partial z_{1}}lz2\frac{\partial l}{\partial z_{2}}。然后lz1\frac{\partial l}{\partial z_{1}}lz2\frac{\partial l}{\partial z_{2}}再分别乘上x1和x2,就是我们最终要找的lw1\frac{\partial l}{\partial w_{1}}lw2\frac{\partial l}{\partial w_{2}}
我们不难发现,这种计算方式很清楚明了地体现了“反向传播”四个字。
好了,目标达成!!
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5.总结

通过Forward Pass我们求得zw=a\frac{\partial z}{\partial w}=a,然后通过Backward Pass我们求得lz\frac{\partial l}{\partial z},二者相乘,就是lw\frac{\partial l}{\partial w}。利用上述方法求得所有参数的值之后,我们就可以用梯度下降法来更新参数,直至找到最优解。

posted @ 2020-06-30 22:26  Cyril_KI  阅读(103)  评论(0)    收藏  举报