卷积神经网络——反向传播算法

神经网络的训练过程，就是通过已有的样本，求取使代价函数最小化时所对应的参数。代价函数测量的是模型对样本的预测值与其真实值之间的误差，最小化的求解一般使用梯度下降法（Gradient Decent）或其他与梯度有关的方法。其中的步骤包括：

1. 初始化参数。
2. 求代价函数关于参数的梯度。
3. 根据梯度更新参数的值。
4. 经过迭代以后取得最佳参数，从而完成神经网络的训练。 

其中最重要的步骤就是求梯度，这可以通过反向传播算法（back propagation）来实现。

单个神经元的训练

单个神经元的结构如下图。假设一个训练样本为(x,y)。在下图中，x是输入向量，通过一个激励函数hw,b(x)得到一个输出a，a再通过代价函数得到J。

f(W,b,x)=a=sigmoid(∑ixiwi+b) （公式1） 

J(W,b,x,y)=12∥y−hw,b(x)∥2 （公式2）

这里激励函数以使用sigmoid为例，当然也可以使用其他的比如tanh或者rectived linear unit函数。要求的参数为W和b。

通过定义变量z=∑ixiwi+b可以将激励函数看做是两部分，如下图右图所示。第一部分是仿射求和得到z, 第二部分是通过sigmoid得到a。 

训练过程中，要求代价函数J关于W和b的偏导数。先求J关于中间变量a和z的偏导：

δ(a)=∂∂aJ(W,b,x,y)=−(y−a) （公式3） 

δ(z)=∂∂zJ(W,b,x,y)=∂J∂a∂a∂z=δ(a)a(1−a) (公式4)

公式（4）中根据sigmoid函数的定义σ(z)=11+e−z可得∂a∂z=a(1−a)。

再根据链导法则，可以求得J关于W和b的偏导数，即得W和b的梯度。

∇WJ(W,b,x,y)=∂∂WJ=∂J∂z∂z∂W=δ(z)xT (公式5)

∇bJ(W,b,x,y)=∂∂bJ=∂J∂z∂z∂b=δ(z) (公式6)

在这个过程中，先求∂J/∂a,进一步求∂J/∂z,最后求得∂J/∂W和∂J/∂b。结合上图及链导法则，可以看出这是一个将代价函数的增量∂J自后向前传播的过程，因此称为反向传播（back propagation）。

多层神经网络的训练

多层网络的一个例子如下图。 

假设第l+1层的输入和输出分别是al和al+1, 参数为Wl和bl，仿射结果为中间变量zl。注意第一层的输出a1=x,为整个网络的输入，最后一层的输出aL是代价函数的输入。

zl+1=WlxTl+bl （公式7） 

al+1=sigmoid(zl+1) （公式8）

对多层网络的训练需要求代价函数J对每一层的参数求偏导。后向传播过程变为：

1，第一步，根据代价函数的定义，求aJ对aL的偏导δ(a)L。 

2，在第l+1层，将误差信号从al+1传递到zl+1。

∂a(l+1)∂z(l+1)=a(l+1)(1−a(l+1)) (公式9)

3，第三步，将误差信号从第l+1层向第l层传播。

∂z(l+1)∂a(l)=W(l),∂z(l+1)∂W(l)=a(l),∂z(l+1)∂b(l)=I (公式10)

4, 对第l层可得J对a(l)和z(l)的偏导数。

δ(a)l=∂J∂a(l)={−(y−a(l)),∂J∂z(l+1)∂z(l+1)∂a(l)=(W(l))Tδ(z)l+1,if l=Lotherwise (公式11)

δ(z)l=∂J∂z(l)=∂J∂a(l)∂a(l)∂z(l)=δ(a)la(l)(1−a(l)) (公式12)

5, 最后可得J对第l层的参数Wl和bl的梯度：

∇W(l)J(W,b,x,y)=∂∂W(l)J=∂J∂z(l+1)∂z(l+1)∂W(l)=δ(z)l+1(a(l))T (公式13)

∇b(l)J(W,b,x,y)=∂∂b(l)J=∂J∂z(l+1)∂z(l+1)∂b(l)=δ(z)l+1 (公式14)

后向传播的一般形式

1，将整个神经网络加上代价函数的结构看做是一串函数（每一层对应一个函数）级联而成的一个函数，其中的每一个函数的导数都可通过数学表达式解析求得：

hθ(x)=(f(L+1)∘...∘f(l)θl∘...∘f(2)θ2f(1))(x) (公式15)

其中θ是该神经网络的参数。f(1)=x, f(L+1)=hθ(x),并且对任何一个l，相邻两层间函数的导数∂f(l+1)∂f(l)都是已知的。

2，根据链导法则，求代价函数对任何一个l层J关于f(l)的导数，即通过数值计算将误差信号后向传递到第l层。

δl=∂∂f(l)J(θ,x,y)=∂J∂f(l+1)∂f(l+1)∂f(l)=δl+1∂f(l+1)∂f(l) （公式16）

3，在第l层求J关于该层参数θ(l)的梯度。

∇θ(l)J(θ,x,y)=∂∂θ(l)J=∂J∂f(l)∂f(l)∂θ(l)=δl∂f(l)∂θ(l)。（公式17）

其中第l层对应的函数关于该层的参数的导数∂f(l)∂θ(l)是已知的。

4，将所有样本的梯度相加得到总梯度。

∇θ(l)J(θ)=∑mi=1∇θ(l)J(θ,x(i),y(i)) (公式17)

对于不同的网络结构，在第2步和第3步中根据具体的∂f(l+1)∂f(l)和∂f(l)∂θ(l)就可以求得所有参数的梯度。

卷积神经网络的训练

卷积神经网络（CNN）的结构可阅读上一篇博文。CNN的基本层包括卷积层和池化层，二者通常一起使用，一个池化层紧跟一个卷积层之后。这两层包括三个级联的函数：卷积，求sigmoid函数（或使用其他激励函数），池化。其前向传播和后向传播的示意图如下： 

后向传播需要求得这三个函数的导数。sigmoid函数前面已经讨论过，这里讲一讲其他两个函数的处理：

卷积函数的导数及后向传播

假设一个卷积层的输入向量是x，输出向量是y, 参数向量（卷积算子）是w。从输入到输出的过程为：

y=x∗w（公式18）

y的长度为|y|=|x|−|w|+1。y中每一个元素的计算方法为：

yn=(x∗w)[n]=∑|w|i=1xn+i−1wi=wTxn:n+|w|−1 (公式19)

卷积过程的示意图如下： 

y中的元素与x中的元素有如下导数关系：

∂yn−i+1∂xn=wi, ∂yn∂wi=xn−i+1,for1≤i≤|w|. （公式20）

进一步可以得到J关于w和x的导数：

δ(x)n=∂J∂y∂y∂xn=∑|w|i=1∂J∂yn−i+1∂yn−i+1∂xn=∑|w|i=1δ(y)n−i+1wi=(δ(y)∗flip(w))[n] （公式21）

δ(x)=δ(y)∗flip(w) （公式22）

∂∂wiJ=∂J∂y∂y∂wi=∑|x|−|w|+1n=1∂J∂yn∂yn∂wi=∑|x|−|w|+1n=1δ(y)nxn+i−1=(δ(y)∗x)[i] （公式23）

∂∂wJ=δ(y)∗x （公式24）

因此，通过δ(y)与flip(w)的卷积就可得到J关于x的导数δ(x)，通过δ(y)与x的卷积就可计算出w的梯度∂∂wJ。

池化函数的导数及后向传播

池化函数是一个下采样函数，对于大小为m的池化区域，池化函数及其导数可以定义为： 

均值池化: g(x)=∑mk=1xkm, 导数为 ∂g∂xi={10if xi=max(x)otherwise

p范数池化 g(x)=∥x∥p=(∑mk=1|xk|p)1/p, 导数为∂g∂xi=(∑mk=1|xk|p)1/p−1|xi|p−1

下采样的后向传播过程为上采样，其示意图为： 

该后向传播过程就是利用g的导数将误差信号传递到g的输入。

δ(x)(n−1)m+1:nm=∂∂x(n−1)m+1:nmJ=∂J∂yn∂yn∂x(n−1)m+1:nm=δ(y)ng′n (公式25)

δ(x)=upsample(δ(y),g′)=[δ(x)(n−1)m+1:nm]. （公式26）

有了上述求导公式，就能够将误差信号传递到每一层的输出，再通过每一层的函数对参数的导数，可求得参数的梯度。有了计算梯度的方法，再通过基于梯度的最优化，就能寻得最优值，完成训练过程。