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反向传播(BP)算法的推导

神经网络优化任务的一般描述

一个估计器可以描述为如下形式. 其中Θ是参数集合, xy^分别是输入和输出.

y^=f(x,Θ)

而学习目标则要求最小化损失函数J

minΘJ(Θ,x,y)

如果J是比较简单的形式, 如感知机中的均方误差MSE, 那么可以将J视为θ的函数, 直接求导后使用梯度下降进行最优化求解. 下式中的λ为学习率.

θθλθJ(θ),θΘ

为方便理解, 可以将θ视为自变量, 而xy视为损失函数的参数.

但是如果J是比较复杂的形式, 比如是某个θΘ的复合函数, 甚至对每个参数θ的复合层级并不一致, 那么无法直接求得Jθ的偏导数. 多层神经网络就是一个例子. 在这种情况下, 就需要用到反向传播(BP)算法.

BP算法一般形式的推导

首先回忆一下复合函数求导法则和多元复合函数求导法则:

xf(g(x))=fggxxf(g(x),h(x))=fggx+fhhx

考虑如下图所示的神经元, 其中一个神经元的输出被多个不同分支的神经元作为输入(当然也可以是一个或者没有).

g₁g₂fθh₁h₂h₃Jg₁(x₁)g₂(x₂)f(θ)f(θ)f(θ)

这里的损失函数可以表示为f,h的多元复合函数

J(θ)=J(h1(f(θ)),h2(f(θ)),h3(f(θ)))=J(h(f(θ)))

那么损失函数对参数θ的偏导数呼之欲出

fJ=Jh1h1f+Jh2h2f+Jh3h3f=hJfhθJ=Jffθ=(hJfh)θf

整理一下便可以得到本文结论(典型的动态规划递推公式)

fJ=hJfh,ResidualθJ=fJθf,Gradience to parameter θ

可见损失函数J对参数θ的梯度可以分为三个要件:

  • hJ这个向量是损失函数对f所有直接后继节点的梯度
  • fh这个向量是f的所有直接后继节点对f本身的梯度
  • θf这个数值就是f对参数θ的梯度

注意前两个部分的点积组成了损失函数对f本身的梯度, 而这一梯度会在节点f的直接前驱节点的BP过程中使用到.

g₁g₂fθh₁h₂h₃J∇h₁J · ∇fh₁∇h₂J · ∇fh₂∇h₃J · ∇fh₃(∇hJ · ∇fh) ∇g₁f(∇hJ · ∇fh) ∇g₂f

实际BP应用举例

在实际应用的时候, 也就是自定义一个神经网络的层的时候, 最需要注意的是, 需要关心:

  1. 本层传递给后继层的输出是什么? (其shape必然仅与本层相关)
  2. 得到后继层反传来的残差后, 本层应该如何计算梯度并更新参数? (梯度的shape必然仅与本层参数的shape相关)
  3. 得到后继层反传来的残差后, 本层反传给前驱层的残差是什么? (其shape必然仅与本层的输入相关)

前馈全连接网络

如果前馈全连接网络的输入是x0, 输出是y, 网络包含n+1层, 第i层的参数矩阵为Θi, 则网络可以表示为

x1=f0(x0,Θ0)x2=f1(x1,Θ1)xn=fn1(xn1,Θn1)y^=fn(xn,Θn)

其中, 如果对于某一层i, 其前驱, 本身, 后继层的节点个数分别为l,m,n, 那么

fi(xi,Θi)={Θixi,ΘiRm×l,xiRl,如果是连接层max(0,xi),xiRl,如果是激活层且使用relu

而目标为最小化损失函数

minΘ0,,ΘnJ(x0,y,Θ0,Θ1,,Θn1,Θn)

为方便理解, 这里将fiJ简写为i. 对第i层套用BP过程的结论

i=ϕ(fifi+1,i+1)=ϕ(xi+1fi+1,i+1)RmΘiJ=iΘifiRm×l

其中

ϕ(A,b)={ATb(matrix-vector product)如果第i+1层是连接层Ab(entry-wise product)如果第i+1层是激活层, 注意此时l=mA实际上是向量xi+1fi+1={Θi+1Rn×m,如果第i+1层是连接层max(0,sgn(xi+1))Rm,如果第i+1层是激活层Θifi={xiRl,如果第i层是连接层0,如果第i层是激活层

练习题

  1. 卷积层的前向和后向过程分别是怎样的? (参考卷积神经网络概要)
  2. 池化层的呢?
  3. 各种Normalization层呢?
  4. 循环神经网络的呢?

参考文献

  1. 链式法则 - Wikipedia
  2. Tensor Product - Wikipedia
  3. List of mathematical symbols - Wikipedia