标量对矩阵求导的反向传播

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图片来源:李飞飞斯坦福课程

### 自动求导反向传播的工作原理 #### 工作原理概述 自动求导是一种用于高效计算函数梯度的技术,在深度学习中广泛应用于神经网络的训练过程中。其核心思想是利用链式法则,通过构建计算图来追踪变量之间的依赖关系,并在此基础上完成梯度的正向和反向累积[^3]。 在深度学习框架(如PyTorch)中,自动求导机制能够动态地跟踪张量的操作并自动生成对应的计算图。当执行反向传播时,框架会沿着计算图逆序遍历节点,应用链式法则逐层计算目标函数相对于各参数的梯度[^1]。 #### 计算图的作用 计算图是描述操作及其输入输出之间关系的一种数据结构。对于任意复杂的数学表达式,都可以将其分解成一系列简单的基础运算(加法、乘法等),并将这些运算是作为节点连接起来形成有向无环图(DAG)。每个叶子节点代表输入变量,而根节点则表示最终的目标函数值[^4]。 #### 链式法则的应用 无论是标量还是向量形式下的链式法则都是实现自动求导的关键所在。具体来说: - **标量链式法则**:如果存在连续映射 \( z=f(y),\, y=g(x) \),那么可以通过下面的关系得到总变化率: \[ \frac{\partial z}{\partial x}=\frac{\partial f(g(x))}{\partial g}\cdot\frac{dg(x)}{dx}. \] - **向量链式法则**扩展了上述概念至多维情况,允许处理矩阵微分等问题。例如,设\( J_{ij}(F)=∂f_i/∂x_j\) 表示雅可比行列式的第i,j项,则整个变换可以用Jacobian Matrix概括出来。 #### PyTorch中的实践例子 考虑如下简单案例说明如何使用PyTorch内置功能完成这一流程: ```python import torch # 定义一个长度为4的Tensor,并设置requires_grad=True以便后续计算梯度 x = torch.tensor([1., 2., 3., 4.], requires_grad=True) # 进行某种线性组合或其他复杂运算得出结果y y = (x * x).sum() # 开始反向传播过程 y.backward() # 查看对应于x各个位置上的偏导数值 print(x.grad) ``` 这里`x*x.sum()`构成了我们的目标函数;调用`.backward()`之后即可获得存储于属性grad内的相应梯度信息[^5]。 #### 关键点解析 - **requires_grad**: 控制某个tensor是否参与梯度计算。 - **backward()**: 执行一次完整的反传更新所有相关联权重的变化估计。 - **grad积累现象解释**: 默认情况下每次新产生的delta都会叠加到已有值之上而非覆盖掉旧的状态,这有助于支持更灵活的学习策略比如mini-batch SGD等等。 --- ###
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