本文介绍如何手写神经网络训练代码
已知数据:
输入数据X∈Rn×dX\in\mathbb{R}^{n\times d}X∈Rn×d,nnn为样本个数,ddd为样本维数,也就是神经网络输入节点数。
标注数据Y∈Rn×tY\in\mathbb{R}^{n\times t}Y∈Rn×t, ttt为输出维数,也就是神经网络输出节点数。
注意,为了便于书写,不考虑偏置Bias。
神经网络模型:
两层权重,三层节点。
Y^=f2(f1(XW1)W2)\widehat{Y}=f_2(f_1(XW_1)W_2)Y=f2(f1(XW1)W2),W1∈Rd×hW_1\in\mathbb{R}^{d\times h}W1∈Rd×h和W2∈Rh×tW_2\in\mathbb{R}^{h\times t}W2∈Rh×t为带求参数。Y^\widehat{Y}Y为预测输出。f1,f2f_1,f_2f1,f2为激励函数。
损失函数:
L=12∣∣Y^−Y∣∣2L=\frac{1}{2}||\widehat{Y}-Y||^2L=21∣∣Y−Y∣∣2
训练伪代码:
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初始化W1W_1W1,W2W_2W2.
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前向过程:
H=f1(XW1)H=f_1(XW_1)H=f1(XW1)
Y^=f2(HW2)\widehat{Y}=f_2(HW_2)Y=f2(HW2) -
反向过程:
令e=Y^−Ye=\widehat{Y}-Ye=Y−Y
∂L∂W2=f1T[e.∗f2′]\frac{\partial L}{\partial W_2}=f_1^T[e.*f_2']∂W2∂L=f1T[e.∗f2′]∂L∂W1=XT[eW2T.∗f1′]\frac{\partial L}{\partial W_1}=X^T[eW_2^T.*f_1']∂W1∂L=XT[eW2T.∗f1′]
此处注意误差eee传递过程,当层数更多时只需计算eWTeW^TeWT即可。
(直观上说,任何一条权重的梯度等于aieao′a_iea_o'aieao′:aia_iai为输入权重的激励值,e为传到输出节点aoa_oao的误差,ao′a_o'ao′为激励函数导数输出。)
注意:反向传播是一种自动微分技术,是一种特殊的反向模式自动微分技术,其通过构建计算图来计算所有权重的梯度。
如下是一个两层权重神经网络的计算图示意图:
∂L∂Y^=(Y^−Y).∗f2′\frac{\partial L}{\partial \widehat{Y}}=(\widehat{Y}-Y).*f'_2∂Y∂L=(Y−Y).∗f2′
∂Y^∂W2=H.∗f2′\frac{\partial\widehat{Y}}{\partial W_2} = H.*f_2'∂W2∂Y=H.∗f2′
∂L∂W2=∂Y^∂W2T∂L∂Y^\frac{\partial L}{\partial W_2}=\frac{\partial\widehat{Y}}{\partial W_2}^T\frac{\partial L}{\partial \widehat{Y}}∂W2∂L=∂W2∂YT∂Y∂L
∂Y^∂H=W2.∗f2′\frac{\partial \widehat{Y}}{\partial H} = W_2.*f_2'∂H∂Y=W2.∗f2′
∂L∂H=∂Y^∂H∂L∂Y^\frac{\partial L}{\partial H}=\frac{\partial \widehat{Y}}{\partial H}\frac{\partial L}{\partial\widehat{Y}}∂H∂L=∂H∂Y∂Y∂L
∂H∂W1=X.∗f1′\frac{\partial H}{\partial W_1} = X.*f_1'∂W1∂H=X.∗f1′
∂L∂W1=∂H∂W1T∂L∂H\frac{\partial L}{\partial W_1}=\frac{\partial H}{\partial W_1}^T \frac{\partial L}{\partial H}∂W1∂L=∂W1∂HT∂H∂L
实际梯度batch平均梯度为:
∂L∂W2=∂L∂W2/n\frac{\partial L}{\partial W_2}=\frac{\partial L}{\partial W_2}/n∂W2∂L=∂W2∂L/n
∂L∂W1=∂L∂W1/n\frac{\partial L}{\partial W_1}=\frac{\partial L}{\partial W_1}/n∂W1∂L=∂W1∂L/n -
应用梯度更新权重:
W1=W1−α∂L∂W1W_1=W_1-\alpha\frac{\partial L}{\partial W_1}W1=W1−α∂W1∂L
W2=W2−α∂L∂W2W_2=W_2-\alpha\frac{\partial L}{\partial W_2}W2=W2−α∂W2∂L
α\alphaα为学习率。 -
计算损失函数,不收敛则继续2-4步骤。