反向误差传播迭代公式

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### 深度学习中反向传播算法的原理与实现 #### 1. 反向传播算法的基本概念 反向传播算法(Backpropagation Algorithm,简称BP算法)是深度学习领域中最常用的优化方法之一。它的主要目标是通过计算误差相对于网络参数的梯度,并利用这些梯度信息来更新权重和偏置项,从而使模型能够更好地拟合数据[^1]。 #### 2. 前向传播阶段 在前向传播过程中,输入数据依次经过每一层神经元并最终得到输出结果。这一过程可以表示为一系列矩阵乘法操作以及激活函数的应用。假设第 \( l \) 层的输入为 \( a^{(l)} \),则该层的输出可以通过以下公式计算: \[ z^{(l+1)} = W^{(l)}a^{(l)} + b^{(l)} \] \[ a^{(l+1)} = f(z^{(l+1)}) \] 其中,\( W^{(l)} \) 和 \( b^{(l)} \) 分别代表当前层的权重矩阵和偏置向量;\( f(\cdot) \) 是激活函数[^2]。 #### 3. 计算误差 在网络完成前向传播后,我们通常定义一个损失函数 \( L(y, \hat{y}) \),用来衡量预测值 \( \hat{y} \) 与真实标签 \( y \) 的差异程度。常见的损失函数包括均方误差(MSE)、交叉熵等。对于给定的数据样本,我们可以根据损失函数计算出总的误差[^3]。 #### 4. 反向传播阶段 反向传播的核心在于应用链式法则逐层计算各参数的梯度。具体来说,我们需要分别计算如下两项: - **输出层误差**:这是指最后一层神经元的局部敏感度,即损失函数关于加权输入的变化率。 \[ \delta^{(L)} = \frac{\partial L}{\partial z^{(L)}} = \nabla_a L \odot f'(z^{(L)}) \] - **隐藏层误差**:对于中间某一层 \( l \),其误差可通过下一层传递回来的信息进一步分解: \[ \delta^{(l)} = (W^{(l)})^\top \delta^{(l+1)} \odot f'(z^{(l)}) \] 最后,基于以上误差表达式,可得对应参数的梯度估计: \[ \frac{\partial L}{\partial W^{(l)}} = \delta^{(l+1)} {a^{(l)}}^\top \] \[ \frac{\partial L}{\partial b^{(l)}} = \delta^{(l+1)} \][^3] #### 5. 参数更新 一旦得到了所有参数的梯度,就可以采用某种优化策略对其进行调整。最简单的形式便是标准梯度下降法: \[ W^{(l)} := W^{(l)} - \eta \frac{\partial L}{\partial W^{(l)}} \] \[ b^{(l)} := b^{(l)} - \eta \frac{\partial L}{\partial b^{(l)}} \] 这里,\( \eta \) 表示学习速率,控制每次迭代步长大小[^4]。 #### 6. MATLAB 实现示例 下面给出一段MATLAB代码片段展示如何手动构建一个小型神经网络及其对应的反向传播机制: ```matlab function [weights, biases] = train_network(X, Y, hidden_units, learning_rate, epochs) % 初始化权重与偏差... for epoch = 1:epochs % 执行前馈运算 % 开始回传错误信号并累积梯度... % 更新所有的连接强度及阈值 weights = weights - learning_rate * d_weights; biases = biases - learning_rate * d_biases; end end ```
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