神经网络的梯度由哪几部分组成?

(本文仅代表笔者个人的观点,如有偏颇,欢迎批评指正)

神经网络的梯度下降法,是神经网络更新参数的重要方法,通过梯度,参数能够找到损失函数的最优解。那么问题来了:梯度到底是哪儿来的?受谁的影响?当梯度过大或过小的时候,会产生什么问题?

一、梯度由哪几部分组成?

我们先看看梯度的定义和表达式:\frac{\partial L}{\partial w_{i}},梯度是权重w_{i}对损失函数L的偏导数,也就是L的变化率和变化方向。把梯度的表达式用复合函数求导数的链式法则展开:

\frac{\partial L}{\partial w_{i}}=\frac{\partial L}{\partial a}\cdot \frac{\partial a}{\partial z}\cdot \frac{\partial z}{\partial w_{i}}

可以看到,w_{i}L的梯度由3个部分组成:

        1、\frac{\partial L}{\partial a}是激活函数a对损失函数L的梯度;

        2、\frac{\partial a}{\partial z}是加权输入z对激活函数a的梯度;

        3、\frac{\partial z}{\partial w_{i}}是权重w_{i}对加权输入z的梯度。

这3个部分共同提供了权重w_{i}对损失函数L的梯度。

二、梯度主要受谁的影响更大?

当训练一个网络最初的预设参数wb以及标签y都确定的情况下,损失函数L和加权输入z受到wb的直接影响,是不能随意调整的,对梯度的作用是动态变化但也是相对稳定的,在每一次参数更新的过程中,对梯度数值的影响是有限的。激活函数a与神经网络相对独立,可以根据网络实际情况来选择,对梯度的影响更大,因此激活函数的选择是训练神经网络的一个重要因素。

当然输入数据的特征和分布,以及损失函数的选择也会影响梯度,我们这里暂不讨论。

三、梯度过大或过小会产生什么问题?

在深层神经网络中,激活函数(如 Sigmoid、Tanh)的导数较小,反向传播时梯度不断缩小,导致深层权重更新几乎停止,就产生了梯度消失的问题。

在某些初始化或权重较大时,梯度会不断累积放大,导致训练过程发散,就产生了梯度爆炸的问题。

因此,提高梯度的传播效率和稳定性,也是深度学习研究的热点。我们在实际应用训练的过程中也应当综合考虑实际数据的情况,选择合适的激活函数来优化神经网络的训练过程。

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