神经网络的反向传播算法

1. 前言


反向传播算法的简单计算过程


2. 反向传播算法


2.1  示例及初始数据


举例说明反向传播算法的计算流程

图1  一个用于示例的网络层

偏置单元(Bias):      b1 = b2 = 1   

输入单元(Input):     i1 = 0.05    i2 = 0.10

隐藏单元(Hidden):  h1,  h2           

输出单元(Output):  o1,  o2

权重(Weight):W(b1) = 0.35    W(b2) = 0.60   

       W1 = 0.15        W2 = 0.20        W3 = 0.25        W4 = 0.30

       W5 = 0.40        W6 = 0.45        W7 = 0.50        W8 = 0.55

期望输出(Target Output):T(o1) = 0.01    T(o2) = 0.99

[ 目标 ]  输入值 i1, i2 ,经过反向传播,使得输出值o1, o2与期望输出T(o1), T(o2)接近


2.2  算法流程


第1步:前向传播(计算出输出值 )

[前向传播的计算公式]

Logistic Sigmoid函数: g(z)=\frac{1}{1+e^{-z} }

假设(hypothesis):  z=W^\top x

                                h(z) = g(z)

                                h(x)=g(W^\top  x )=\frac{1}{1+e^{W^\top  x} }

计算出隐藏层单元h1的输出值
 同理,计算出隐藏层单元h2的输出值
根据h1, h2的值,依次计算出输出层单元o1, o2的输出值

[前向传播的输出结果]

a(h1) = 0.593269992     a(h2) = 0.596884378  

a(o1) = 0.75136507       a(o2) = 0.77292847


第2步:反向传播(更新权重)

[反向传播的计算公式]

神经网络在(i_{k}  ,T_{k}  )上的均方误差:E_{k} =\frac{1}{2} \sum_{j=1}^l a_{o_{k}}  -T_{o_{k}})^2 

l为输出单元数, a_{o_{k}}为输出单元值, T_{o_{k}}为期望输出值,\frac{1}{2} 是为后续求导的方便)

链式法则:\frac{d_{u} }{d_{x}} =\frac{d_{u} }{d_{y}}\cdot \frac{d_{y} }{d_{x}}

由各输出单元误差E_{o1} ,E_{o2} 计算总误差E_{total}


以权重W5为例,使用链式法则求W5对总误差E_{total} 产生的影响  
链式法则示意图


\frac{d E_{total} }{da_{o1} }
\frac{d a_{o1} }{dz_{o1} }
\frac{d z_{o1} }{dW_{5} }
将以上3个式子结果相乘,得到\frac{d E_{total} }{dW_{5} }

结合链式法则求导过程中的公式:

\frac{d E_{total} }{dW_{5} } =-(T_{o1}-a_{o1} )*a_{o1}(1-a_{o1})*a_{o1}


使用 \delta_{o1} 表示输出层的误差:

 \delta_{o1} =\frac{d E_{total} }{dz_{o1} } =\frac{d E_{total} }{da_{o1} } \cdot \frac{d a_{o1} }{dz_{o1} }


因此,\frac{d E_{total} }{dW_{5} } 可表达为如下形式:

\frac{d E_{total} }{dW_{5} } = \delta_{o1} *a_{h1}


设学习率\alpha 为0.5,更新W5的值:

W_{5} :=W_{5} -\alpha *\frac{d E_{total} }{dW_{5} } =0.4-0.5*0.082167041=0.35891648

同理,更新W6, W7, W8的值:

W_{6} =0.408666186

W_{7} =0.511301270

W_{8} = 0.561370121

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