“反向传播算法”过程及公式推导

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“反向传播算法”过程及公式推导

2024-07-12 18:12| 来源: 网络整理| 查看: 265

一、定义

首先来一个反向传播算法的定义(转自维基百科):反向传播(英语:Backpropagation,缩写为BP)是“误差反向传播”的简称,是一种与最优化方法(如梯度下降法)结合使用的,用来训练人工神经网络的常见方法。 该方法对网络中所有权重计算损失函数的梯度。 这个梯度会反馈给最优化方法,用来更新权值以最小化损失函数。(误差的反向传播)

二、案例1

首先明确,“正向传播”求损失,“反向传播”回传误差。同时,神经网络每层的每个神经元都可以根据误差信号修正每层的权重,只要能明确上面两点,那么下面的例子,只要会一点链式求导规则,就一定能看懂!

BP算法,也叫δ算法,下面以3层的感知机为例进行举例讲解。

上图的前向传播(网络输出计算)过程如下:(此处为网络的整个误差的计算,误差E计算方法为mse) 

 

上面的计算过程并不难,只要耐心一步步的拆开式子,逐渐分解即可。现在还有两个问题需要解决:

误差E有了,怎么调整权重让误差不断减小? E是权重w的函数,何如找到使得函数值最小的w。 解决上面问题的方法是梯度下降算法(简单图示如下),大家如有不太懂的可先行查阅别的资料,只要能达到理解线性回归梯度下降算法的水平即可,这里不再赘述。

就算上面的所有东西你都看的迷迷糊糊,通过下面的例子,相信绝大多数人也能很轻松的理解BP算法。如图是一个简单的神经网络用来举例: 

 

下面是前向(前馈)运算(激活函数为sigmoid):

 

下面是反向传播(求网络误差对各个权重参数的梯度):

我们先来求最简单的,求误差E对w5的导数。首先明确这是一个“链式求导”过程,要求误差E对w5的导数,需要先求误差E对out o1的导数,再求out o1对net o1的导数,最后再求net o1对w5的导数,经过这个链式法则,我们就可以求出误差E对w5的导数(偏导),如下图所示:

 

导数(梯度)已经计算出来了,下面就是反向传播与参数更新过程: 

 如果要想求误差E对w1的导数,误差E对w1的求导路径不止一条,这会稍微复杂一点,但换汤不换药,计算过程如下所示:



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