首先介紹一下鏈?zhǔn)椒▌t

假如我們要求z對(duì)x1的偏導(dǎo)數(shù)，那么勢(shì)必得先求z對(duì)t1的偏導(dǎo)數(shù)，這就是鏈?zhǔn)椒▌t，一環(huán)扣一環(huán)

BackPropagation（BP）正是基于鏈?zhǔn)椒▌t的，接下來用簡(jiǎn)單的前向傳播網(wǎng)絡(luò)為例來解釋。里面有線的神經(jīng)元代表的sigmoid函數(shù)，y_1代表的是經(jīng)過模型預(yù)測(cè)出來的，y_1 = w1 * x1 + w2 * x2，而y^1代表的是實(shí)際值，最后是預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的誤差，l_1 = 1/2 * (y_1 - y^1)^2，l_2同理。總的錯(cuò)誤是E = l_1 + l_2。

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中我們采用梯度下降（Gradient Descent）來進(jìn)行參數(shù)更新，最終找到最優(yōu)參數(shù)。可是離E最近的不是w1，首先我們需要求出E對(duì)l_1的偏導(dǎo)，接著求l_1對(duì)于最近神經(jīng)元sigmoid中變量的導(dǎo)數(shù)，最后再求y_0對(duì)于w1的偏導(dǎo)，進(jìn)行梯度更新。

這便是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的BP算法，與以往的正向傳播不同，它應(yīng)該是從反向的角度不斷優(yōu)化

這里只是用了一層隱含層，可以看的出來一個(gè)參數(shù)的梯度往往與幾個(gè)量產(chǎn)生關(guān)系：

• 最終y被預(yù)測(cè)的值。這往往取決于你的激活函數(shù)，如這里采用sigmoid

• 中間對(duì)激活函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)的值

• 輸入的向量，即為x

推廣到N層隱含層，只是乘的東西變多了，但是每個(gè)式子所真正代表的含義是一樣的。

換個(gè)角度說，在深度學(xué)習(xí)梯度下降的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)比較常見的兩類問題，梯度消失以及梯度爆炸很可能就是這些量之間出了問題，對(duì)模型造成了影響。

1、梯度消失（Gradient Vanishing）。意思是梯度越來越小，一個(gè)很小的數(shù)再乘上幾個(gè)較小的數(shù)，那么整體的結(jié)果就會(huì)變得非常的小。那么導(dǎo)致的可能原因有哪些呢？我們由靠近E的方向向后分析。

• 激活函數(shù)。y_1是最后經(jīng)過激活函數(shù)的結(jié)果，如果激活函數(shù)不能很好地反映一開始輸入時(shí)的情況，那么就很有可能出問題。sigmoid函數(shù)的性質(zhì)是正數(shù)輸出為大于0.5，負(fù)數(shù)輸出為小于0.5，因?yàn)楹瘮?shù)的值域?yàn)?0,1)，所以也常常被用作二分類的激活函數(shù)，用以表示概率。但是，當(dāng)x比較靠近原點(diǎn)的時(shí)候，x變化時(shí)，函數(shù)的輸出也會(huì)發(fā)生明顯的變化，可是，當(dāng)x相當(dāng)大的時(shí)候，sigmoid幾乎已經(jīng)是無動(dòng)于衷了，x相當(dāng)小的時(shí)候同理。這里不妨具體舉個(gè)二分類的例子，比如說用0,1代表標(biāo)簽，疊了一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，sigmoid函數(shù)作為激活函數(shù)。E對(duì)l_1的偏導(dǎo)極大程度將取決于y_1，因?yàn)闃?biāo)簽就是0,1嘛。就算輸入端的x,w都比較大，那么經(jīng)過sigmoid壓縮之后就會(huì)變得很小，只有一層的時(shí)候其實(shí)還好，但是當(dāng)層數(shù)變多之后呢，sigmoid函數(shù)假如說每一層都當(dāng)做是激活函數(shù)，那么最后E對(duì)l_1的偏導(dǎo)將是十分地小，盡管x,w代表著一些信息，可經(jīng)過sigmoid壓縮之后信息發(fā)生了丟失，梯度無法完成真正意義上的傳播，乘上一個(gè)很小的數(shù)，那么整個(gè)梯度會(huì)越來越小，梯度越小，說明幾乎快收斂了。換句話說，幾乎沒多久就已經(jīng)收斂了。

另一種思路是從公式（4）出發(fā)，無論y_0取何值，公式（4）的輸出值總是介于(0,1/4]（當(dāng)然具體邊界處是否能取到取決于具體變量的取值），證明：

因?yàn)椴粩喑松弦粋€(gè)比較小的數(shù)字，所以層數(shù)一多，那么整個(gè)梯度的值就會(huì)變得十分小，而且這個(gè)是由sigmoid本身導(dǎo)致，應(yīng)該是梯度消失的主因。

解決方法可以是換個(gè)激活函數(shù)，比如RELU就不錯(cuò)，或者RELU的變種。

2、梯度爆炸（Gradient Exploding）。意思是梯度越來越大，更新的時(shí)候完全起不到優(yōu)化的作用。其實(shí)梯度爆炸發(fā)生的頻率遠(yuǎn)小于梯度消失的頻率。如果發(fā)生了，可以用梯度削減（Gradient Clipping）。

• 梯度削減。首先設(shè)置一個(gè)clip_gradient作為梯度閾值，然后按照往常一樣求出各個(gè)梯度，不一樣的是，我們沒有立馬進(jìn)行更新，而是求出這些梯度的L2范數(shù)，注意這里的L2范數(shù)與嶺回歸中的L2懲罰項(xiàng)不一樣，前者求平方和之后開根號(hào)而后者不需要開根號(hào)。如果L2范數(shù)大于設(shè)置好的clip_gradient，則求clip_gradient除以L2范數(shù)，然后把除好的結(jié)果乘上原來的梯度完成更新。當(dāng)梯度很大的時(shí)候，作為分母的結(jié)果就會(huì)很小，那么乘上原來的梯度，整個(gè)值就會(huì)變小，從而可以有效地控制梯度的范圍。

另外，觀察公式可知，其實(shí)到底對(duì)誰(shuí)求偏導(dǎo)是看最近的一次是誰(shuí)作為自變量，就會(huì)對(duì)誰(shuí)求，不一定都是對(duì)權(quán)重參數(shù)求，也有對(duì)y求的時(shí)候。

接著我們用PyTorch來實(shí)操一下反向傳播算法，PyTorch可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)微分，requires_grad 表示這個(gè)參數(shù)是可學(xué)習(xí)的，這樣我們進(jìn)行BP的時(shí)候，直接用就好。不過默認(rèn)情況下是False，需要我們手動(dòng)設(shè)置。

import torchx = torch.ones(3,3,requires_grad = True) t = x * x + 2 z = 2 * t + 1 y = z.mean()

接下來我們想求y對(duì)x的微分，需要注意這種用法只能適用于y是標(biāo)量而非向量

y.backward() print(x.grad)

所以當(dāng)y是向量形式的時(shí)候我們可以自己來算，如

x = torch.ones(3,3,requires_grad = True) t = x * x + 2 y = t - 9

如果計(jì)算y.backward()會(huì)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)槭窍蛄?#xff0c;所以我們需要手動(dòng)算v，這里就是y對(duì)t嘛，全為1，注意v的維度就行。

v = torch.ones(3,3) y.backward(v) print(x.grad)

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總結(jié)

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