反向传播BP算法
前向传播模型
一般我们使用的公式是:
\[
a=\frac{1}{1+\exp \left(-\left(w^{T} x+b\right)\right)} = \frac{1}{1+\exp \left(-\left[w^{T} \quad b\right] \cdot[x \quad 1]\right)}
\]
对于隐层有多个神经元的情况就是:
\[
\begin{array}{l}{a_{1}=\frac{1}{1+\exp \left(w^{(1) T} x+b_{1}\right)}} \\ {\vdots} \\ {a_{m}=\frac{1}{1+\exp \left(w^{(m) T} x+b_{m}\right)}}\end{array}
\]
记为:\(z=W x+b\)
\[
\left[ \begin{array}{c}{a^{(1)}} \\ {\vdots} \\ {a^{(m)}}\end{array}\right]=\sigma(z)=\sigma(W x+b)
\]
反向传播中的微积分计算
现在假设我们有一个三层神经网络,我们简单的表示成:
\[
C\left(w_{1}, b_{1}, w_{2}, b_{2}, w_{3}, b_{3}\right)
\]
我们需要调整的就是这些变量,我们的目的就是希望这些变量作为参数,损失函数梯度下降的最快,
现在假设我们每层只有一个神经元,我们将神经网络最后一层得神经元用 \(a^{(L)}\)来表示,这一个损失函数我们可以表示成:\(\operatorname{cost} \longrightarrow C_{0}(\ldots)=\left(a^{(L)}-y\right)^{2}\)
我们从倒数第二层 \(a^{(L-1)}\) 到 \(a^{(L)}\) 层的时候,由下面的公示的得到:
\[
\begin{aligned} z^{(L)} &=w^{(L)} a^{(L-1)}+b^{(L)} \\ a^{(L)} &=\sigma\left(z^{(L)}\right) \end{aligned}
\]
这个是前向传播的公式:现在我们想要损失函数下降的越快,那么 \(C\) 对 \(w\) 越敏感,下降得越快。这里我们将上面的求导用链式法则,只是简单的列出来,
\[
\frac{\partial C_{0}}{\partial w^{(L)}}=\frac{\partial z^{(L)}}{\partial w^{(L)}} \frac{\partial a^{(L)}}{\partial z^{(L)}} \frac{\partial C 0}{\partial a^{(L)}}
\]
现在我们分别对上面公式后面的三个求导:
\[
\begin{aligned} \frac{\partial C_0}{\partial a^{(L)}} &=2\left(a^{(L)}-y\right) \\ \frac{\partial a^{(L)}}{\partial z^{(L)}} &=\sigma^{\prime}\left(z^{(L)}\right) \\ \frac{\partial z^{(L)}}{\partial w^{(L)}} &=a^{(L-1)} \end{aligned}
\]
然后我们得到下面的公式:
\[
\frac{\partial C_{0}}{\partial w^{(L)}}=\frac{\partial z^{(L)}}{\partial w^{(L)}} \frac{\partial a^{(L)}}{\partial z^{(L)}} \frac{\partial C _{0}}{\partial a^{(L)}}=a^{(L-1)} \sigma^{\prime}\left(z^{(L)}\right) 2\left(a^{(L)}-y\right)
\]
对于这个式子,说明了梯度与哪些因素相关:由于上面的式子,我们只考虑了最终输出的一个元素,由于最后的网络输出的是一层,所以最后一层的神经元求得偏置应该是:
\[
\frac{\partial C}{\partial w^{(L)}}=\frac{1}{n} \sum_{k=0}^{n-1} \frac{\partial C_{k}}{\partial w^{(L)}}
\]
上述只是对一个偏置 \(w(L)\) 求梯度,而我们要对所有的偏置求梯度,那就是:
\[
\nabla C=\left[ \begin{array}{c}{\frac{\partial C}{\partial w^{(1)}}} \\ {\frac{\partial C}{\partial b^{(1)}}} \\ {\vdots} \\ {\frac{\partial C}{\partial w^{(L)}}} \\ {\frac{\partial C}{\partial b^{(L)}}}\end{array}\right]
\]
每层有多个神经元时
前面我们假设的是每层只有一个神经元,现在我们假设每层有多个神经元,我们表示神经网络如下:
我们下一层的计算方法本质上是一样的:
\[
z_{j}^{(L)}=w_{j 0}^{(L)} a_{0}^{(L-1)}+w_{j 1}^{(L)} a_{1}^{(L-1)}+w_{j 2}^{(L)} a_{2}^{(L-1)}+b_{j}^{(L)}
\]
\[
a_{j}^{(L)}=\sigma\left(z_{j}^{(L)}\right)
\]
上面的公式如果写成向量的形式,本质上与每层只有一个神经元是一样的。
此时我们的损失函数就是:
\[
C_{0}=\sum_{j=0}^{n_{L}-1}\left(a_{j}^{(L)}-y_{j}\right)^{2}
\]
损失函数对偏置求导:
\[
\frac{\partial C_{0}}{\partial w_{j k}^{(L)}}=\frac{\partial z_{j}^{(L)}}{\partial w_{j k}^{(L)}} \frac{\partial a_{j}^{(L)}}{\partial z_{j}^{(L)}} \frac{\partial C_{0}}{\partial a_{j}^{(L)}}
\]
这个公式和每层只有一个神经元本质是一样的。
这里我们求的是最后一层,而反向传播的本质是要不断的向后,也就是从最后一层到倒数第二层,一直反向。上面我们求的是倒数第二层到最后一层的 \(w_{j k}^{(L)}\) 对最后一层损失函数的影响,那么再往后该怎么计算呢?所以我们要知道倒数第二层的期望值,所以我们用最后一层对倒数第二层求偏导:
\[
\frac{\partial C_{0}}{\partial a_{k}^{(L-1)}}=\sum_{j=0}^{n_{L}-1} \frac{\partial z_{j}^{(L)}}{\partial a_{k}^{(L-1)}} \frac{\partial a_{j}^{(L)}}{\partial z_{j}^{(L)}} \frac{\partial C_{0}}{\partial a_{j}^{(L)}}
\]
这样我们可以得到期望的 \(a ^{(L-1)}\), 也就算到了倒数第二层,然后我们再用这一层继续往后修正神经网络中的参数就可以了。
本质上就是,每一层的损失函数有三个参数:
\[
\begin{aligned} z^{(L)} &=w^{(L)} a^{(L-1)}+b^{(L)} \\ a^{(L)} &=\sigma\left(z^{(L)}\right) \end{aligned}
\]
分别是 \(w^{(L)}\) 和 \(a^{(L-1)}\) 以及$ b^{(L)}$. 所以我们对他们三个求偏导,也就是梯度下降求最优解来优化这三个参数。
反向传播BP算法的更多相关文章
- 神经网络——反向传播BP算法公式推导
在神经网络中,当我们的网络层数越来越多时,网络的参数也越来越多,如何对网络进行训练呢?我们需要一种强大的算法,无论网络多复杂,都能够有效的进行训练.在众多的训练算法中,其中最杰出的代表就是BP算法,它 ...
- 神经网络,前向传播FP和反向传播BP
1 神经网络 神经网络就是将许多个单一“神经元”联结在一起,这样,一个“神经元”的输出就可以是另一个“神经元”的输入.例如,下图就是一个简单的神经网络: 我们使用圆圈来表示神经网络的输入,标上“”的圆 ...
- 手写BP(反向传播)算法
BP算法为深度学习中参数更新的重要角色,一般基于loss对参数的偏导进行更新. 一些根据均方误差,每层默认激活函数sigmoid(不同激活函数,则更新公式不一样) 假设网络如图所示: 则更新公式为: ...
- 反向传播BP为什么高效
之前有一篇文章讲了反向传播的原理: 下面这篇文章讲了反向传播为什么高效: https://blog.csdn.net/lujiandong1/article/details/52716726 主要通过 ...
- Backpropagation反向传播算法(BP算法)
1.Summary: Apply the chain rule to compute the gradient of the loss function with respect to the inp ...
- BP(back propagation)反向传播
转自:http://www.zhihu.com/question/27239198/answer/89853077 机器学习可以看做是数理统计的一个应用,在数理统计中一个常见的任务就是拟合,也就是给定 ...
- 前向传播算法(Forward propagation)与反向传播算法(Back propagation)
虽然学深度学习有一段时间了,但是对于一些算法的具体实现还是模糊不清,用了很久也不是很了解.因此特意先对深度学习中的相关基础概念做一下总结.先看看前向传播算法(Forward propagation)与 ...
- ML(5)——神经网络2(BP反向传播)
上一章的神经网络实际上是前馈神经网络(feedforward neural network),也叫多层感知机(multilayer perceptron,MLP).具体来说,每层神经元与下一层神经元全 ...
- [NN] 对于BackPropagation(BP, 误差反向传播)的一些理解
本文大量参照 David E. Rumelhart, Geoffrey E. Hinton and Ronald J. Williams, Learning representation by bac ...
随机推荐
- Appscan漏洞之已解密的登录请求
本次针对 Appscan漏洞 已解密的登录请求 进行总结,如下: 1.1.攻击原理 未加密的敏感信息(如登录凭证,用户名.密码.电子邮件地址.社会安全号等)发送到服务器时,任何以明文传给服务器的信息都 ...
- 下载Spring
下载Spring Spring官网并不直接提供Spring的下载,Spring现在托管在GitHub上. 1.进入Spring官网 -> PROJECTS -> SPRING FRAMEW ...
- 在pycharm中右键运行,只有unnitest,HtmltTestRunner不生成报告
https://blog.csdn.net/lufangbo/article/details/79308362 有时候在编完脚本开始运行时,发现某个py脚本右键运行的选项不是run,二是run in ...
- 网页代码编辑器Blocs for mac如何进行行的控制?
行是Blocs应用程序中的关键结构元素之一,它们是列和Bloc容器,它们构成了构建站点布局的基础.在本篇文章中,我们介绍的是网页代码编辑器Blocs for mac如何进行行的控制? ] 网页代码编辑 ...
- Pod Hook
Pod Hook kubernetes为容器提供了生命周期,称为Pod Hook,Pod Hook 是由kubelet 发起的, 可以发生在容器启动和停止之前运行,包含在容器的生命周期中.我们可以为所 ...
- Tomcat+Nginx+Memcached综合案例
Tomcat+Nginx+Memcached综合案例 说明 通过Nginx解析静态页面并将动态负载均衡调度给后面的多个Tomcat,Tomcat解析java动态程序. 由于http是无状态的协议,你访 ...
- 如何更改Scratch3.0的LOGO
1.用visual studio code打开文件夹scratch-gui-develop 找到SRC\components\menu-bar 方法1:制作图片更换掉图片scratch-logo.sv ...
- Caused by SSLError("Can’t connect to HTTPS URL because the SSL module is not available)
window7系统: 今天刚安装的anaconda(开源的Python包管理器),把原来的python3和python2都给卸载了,结果运行爬虫程序的时候报错: Caused by SSLError( ...
- danci
plain 英 [pleɪn] 美 [plen] adj. 平的:简单的:朴素的:清晰的 n. 平原:无格式:朴实无华的东西 adv. 清楚地:平易地 n. (Plain)人名:(英)普莱恩:(法)普 ...
- 猎豹全球智库执行院长:中国App出海的三大规律和最具代表的五大垂直品类
https://36kr.com/p/5100078 中国出海还是处于一个黄金时代. “国内互联网公司的竞争越来越白热化,出海的时间点变得越来越紧迫,”在36氪日前举办的“WISEx新出海行业峰会”上 ...