神经网络中的反向传播法

最新推荐文章于 2024-05-01 08:31:16 发布

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直观理解反向传播法

反向传播算法其实就是链式求导法则的应用。按照机器学习的通用套路，我们先确定神经网络的目标函数，然后用随机梯度下降优化算法去求目标函数最小值时的参数值。

反向传播算法

损失函数与正则化项

假设我们有一个固定样本集\(\{(x^{(1)},y^{(1)}),···,(x^{(m)},y^{(m)})\}\)它包含m个样本。我们可以用批量梯度下降法来求解神经网络。具体来讲，对于单个样例(x,y)，其代价函数为：\[J(W,b;x,y)=\frac{1}{2}||h_{W,b}{(x)}-y||^2\]
这是一个平方误差损失函数。(这里的\(\frac{1}{2}\)是当求导时，平方会产生一个2，\(\frac{1}{2}*2=1\)进行平均不让2累积)
对于包含m个样本的数据集，我们可以定义整体的损失函数为：\[J\left(W,b\right)=\left[\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m{J\left(W,b;x^{\left(i\right)},y^{\left(j\right)}\right)}\right]+\frac{\lambda}{2}\sum_{l=1}^{n_l-1}{\sum_{i=1}^{s_l}{\sum_{j=1}^{s_{l+1}}{\left(W_{ji}^{\left(l\right)}\right)^2}}} \\ =\left[\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m{\frac{1}{2}}\parallel h_{W,b}\left(x^{\left(i\right)}\right)-y^{\left(i\right)}\parallel^2\right]+\frac{\lambda}{2}\sum_{l=1}^{n_l-1}{\sum_{i=1}^{s_l}{\sum_{j=1}^{s_{l+1}}{\left(W_{ij}^{\left(l\right)}\right)^2}}}\]
以上关于\(J(W,b)\)定义中的第一项是均方误差项，第二项是一个正则化项，也叫权重衰减项，其目的就是减小权重的幅度，防止过度拟合。权重衰减参数λ用于控制公式中两项的相对重要性。（关于权重衰减部分，写在文尾）

算法讲解

链式法则，具体如下图所示：

我们定义整体损失函数为：\[L\left(\theta\right)=\sum_{n=1}^N{C^n\left(\theta\right)}\]
对参数\(w\)求偏导：\[\frac{\partial L\left(\theta\right)}{\partial w}=\sum_{n=1}^N{\frac{\partial C^n\left(\theta\right)}{\partial w}}\]
因此我们只需要求出单个样例的偏导数，就可以推导出整体损失函数的偏导数。根据链式法则，对于某一个节点，如下所示：

\[\frac{\partial C}{\partial w}=\frac{\partial z}{\partial w}\frac{\partial C}{\partial z}\]
容易得到\(\partial z/\partial w_1=x_1 \qquad \partial z/\partial w_2=x_2\)
我们可以利用前向传导的方法计算出所有层的\(\frac{\partial z} {\partial w}\)

我们已经求出了整个偏导数的左半部分，接下来看右半部分，即\(\frac{\partial C}{\partial z}\)

根据链式法则得到：\[\frac{\partial C}{\partial z}=\frac{\partial a}{\partial z}\frac{\partial C}{\partial a}\]
对于\(\frac{\partial a}{\partial z}\)，我们知道就是激活函数对加法器的偏导，知道了激活函数便知道了\(\frac{\partial a}{\partial z}\)，我们设其求导结果为\(\partial ' (z)\)，因为z在前向传播中已经确定，所以\(\partial ' (z)\)其实是一个常数。接下来看\(\frac{\partial C}{\partial a}\).

根据链式求导法则\[\frac{\partial C}{\partial a}=\frac{\partial z'}{\partial a}\frac{\partial C}{\partial z'}+\frac{\partial z''}{\partial a}\frac{\partial C}{\partial z''}\]
易知\(\frac{\partial z’}{\partial a}\)即为权值，而\(\frac{\partial C}{\partial z’}\)假设其已知，则我们可以得到\[\frac{\partial C}{\partial z}=\sigma '\left(z\right)\left[w_3\frac{\partial C}{\partial z'}+w_4\frac{\partial C}{\partial z''}\right]\]
而对于\(\frac{\partial C}{\partial z}\)的求导，我们需要区分输出层和隐藏层两种情况：
第一种情况,如果还处于隐藏层，我们可以根据上述算法不断递归的计算\(\frac{\partial C}{\partial z}\)，直到抵达输出层。

第二种情况,如果已经是输出层了，如下图所示

最后总结一下，我们根据前向传播算法求得所有的\(\frac{\partial z}{\partial w}\)，根据反向传播算法求得所有的\(\frac{\partial C}{\partial z}\)（需要用到前向传播算法求得的\(\frac{\partial a}{\partial z}\)，即\(\sigma ' \left(z\right)\)）。这样就可以用更新公式对参数进行迭代更新了。

权重衰减

目的：让权重衰减到更小的值，在一定程度上减少模型过拟合的问题。权重衰减也叫L2正则化。
L2正则化就是在代价函数后面再加上一个正则化项：\[C = C_0+\frac{\lambda}{2n}\underset{w}\sum w^2\]
其中C0代表原始的代价函数，后面那一项就是L2正则化项，它是这样来的：所有参数w的平方的和，除以训练集的样本大小n。λ就是正则项系数，权衡正则项与C0项的比重。另外还有一个系数1/2，1/2经常会看到，主要是为了后面求导的结果方便，后面那一项求导会产生一个2，与1/2相乘刚好凑整为1。系数λ就是权重衰减系数。
我们对加入L2正则化后的代价函数进行推导，先求导：\[\frac{\partial C}{\partial w} = \frac{\partial C_0}{\partial w}+\frac{\lambda}{n}w \\ \frac{\partial C}{\partial b} = \frac{\partial C_0}{\partial b}\]
可以发现L2正则化项对b的更新没有影响，但是对于w的更新有影响：\[w \rightarrow w-\eta\frac{\partial C_0}{\partial w} - \frac{\eta \lambda}{n}w \\ =(1-\frac{\eta \lambda}{n})w-\eta\frac{\partial C_0}{\partial w}\]
\(\eta\)为学习率，学习率是梯度下降时控制我们每次靠近真实值的幅度。在不使用L2正则化时，求导结果中w前系数为1。现在w前面系数为\(1-\frac{\eta \lambda}{n}\)，因为\(\eta,\lambda,n\)都为正，所以\(1-\frac{\eta \lambda}{n}\)小于1，效果是减小w，这也就是权重衰减（weight decay）的由来。当然考虑到后面的导数项，w最终的值可能增大也可能减小。
对于基于mini-batch的随机梯度下降，w和b更新的公式跟上面给出的有点不同：\[w \rightarrow (1-\frac{\eta \lambda}{n})w-\frac{\eta}{m}\underset{x}\sum\frac{\partial C_x}{\partial w} \\ b \rightarrow b-\frac{\eta}{m}\underset{x}\sum\frac{\partial C_x}{\partial w}\]
对比上面w的更新公式，可以发现后面那一项变了，变成所有导数加和，乘以η再除以m，m是一个mini-batch中样本的个数。
思考：L2正则化项有让w变小的效果，但是为什么w变小可以防止过拟合呢？
原理：1. 从模型的复杂度上解释：更小的权值w，从某种意义上说，表示网络的复杂度更低，对数据的拟合更好（这个法则也叫做奥卡姆剃刀），而在实际应用中，也验证了这一点，L2正则化的效果往往好于未经正则化的效果。

从数学方面的解释：过拟合的时候，拟合函数的系数往往非常大，为什么？如下图所示，过拟合，就是拟合函数需要顾忌每一个点，最终形成的拟合函数波动很大。在某些很小的区间里，函数值的变化很剧烈。这就意味着函数在某些小区间里的导数值（绝对值）非常大，由于自变量值可大可小，所以只有系数足够大，才能保证导数值很大。而正则化是通过约束参数的范数使其不要太大，所以可以在一定程度上减少过拟合情况。

学习率衰减（learning rate decay）

在训练模型的时候，通常会遇到这种情况：我们平衡模型的训练速度和损失（loss）后选择了相对合适的学习率（learning rate），但是训练集的损失下降到一定的程度后就不在下降了。遇到这种情况通常可以通过适当降低学习率（learning rate）来实现。但是，降低学习率又会延长训练所需的时间。
学习率衰减（learning rate decay）就是一种可以平衡这两者之间矛盾的解决方案。学习率衰减的基本思想是：学习率随着训练的进行逐渐衰减。
学习率衰减基本有两种实现方法：

线性衰减。例如：每过5个epochs学习率减半。
指数衰减。例如：随着迭代轮数的增加学习率自动发生衰减，每过5个epochs将学习率乘以0.9998。\(decayed_learning_rate=learning_rate*decay_rate^(global_step/decay_steps)\)，其中decayed_learning_rate为每一轮优化时使用的学习率，learning_rate为事先设定的初始学习率，decay_rate为衰减系数，decay_steps为衰减速度。

引用：

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