详解反向传播算法
反向传播算法(Backpropagation)已经是神经网络模型进行学习的标配。但是有很多问题值得思考一下:
反向传播算法的作用是什么? 神经网络模型的学习算法一般是SGD。SGD需要用到损失函数C关于各个权重参数的偏导数。一个模型的参数w,b是非常多的,故而需要反向传播算法快速计算。也就是说反向传播算法是一种计算偏导数的方法。
为什么要提出反向传播算法? 在反向传播算法提出之前人们应该想到了使用SGD学习模型,也想到了一些办法求解网络模型的偏导数,但这些算法求解效率比较低,所以提出反向传播算法来更高效的计算偏导数。(那时的网络模型还比较浅只有2-3层,参数少。估计即便不适用反向传播这种高效的算法也能很好的学习。一旦有人想使用更深的网络自然会遇到这个偏导数无法高效计算的问题,提出反向传播也就势在必行了)
反向传播怎么样实现高效计算偏导数的? 请先回顾一下当初我们学习微积分时是如何计算偏导数的? (链式法则,具体看下面)
1 用计算图来解释几种求导方法:
1.1 计算图
式子
可以用如下计算图表达:
令a=2,b=1则有:
如何在计算图上表达“求导”呢? 导数的含义是 因变量随自变量的变化率,例如 表示当x变化1个单位,y会变化3个单位。 微积分中已经学过:加法求导法则是
乘法求导法则是。
我们在计算图的边上表示导数或偏导数:
如下图
那么 如何求呢?
告诉我们1个单位的b变化会引起1个单位的c变换,告诉我们 1 个单位的c变化会引起2个单位的e变化。所以
吗?
答案必然是错误。因为这样做只考虑到了下图橙色的路径,所有的路径都要考虑:
所以上面的求导方法总结为一句话就是: 路径上所有边相乘,所有路径相加。不过这里需要补充一条很有用的合并策略:
例如:下面的计算图若要计算就会有9条路径:
如果计算图再复杂一些,层数再多一些,路径数量就会呈指数爆炸性增长。但是如果采用合并策略:
就不会出现这种问题。这种策略不是 对每一条路径都求和,而是 “合并同类路径”,“分阶段求解”。先求X对Y的总影响
再求Y对Z的总影响
最后综合在一起。
1.2 两种求导模式:前向模式求导( forward-mode differentiation) 反向模式求导(reverse-mode differentiation)
上面提到的求导方法都是前向模式求导( forward-mode differentiation) :从前向后。先求X对Y的总影响 再乘以Y对Z的总影响 。
另一种,反向模式求导(reverse-mode differentiation) 则是从后向前。先求Y对Z的影响再乘以X对Y的影响。
前向求导模式追踪一个输入如何影响每一个节点(对每一个节点进行操作)反向求导模式追踪每一个节点如何影响一个输出(对每一个节点进行
操作)。
1.3 反向求导模式(反向传播算法)的重要性:
让我们再次考虑前面的例子:
如果用前向求导模式:关于b向前求导一次
如果用反向求导模式:向后求导
前向求导模式只得到了关于输入b的偏导 ,还需要再次求解关于输入a的偏导
(运算2遍)。而反向求导一次运算就得到了e对两个输入a,b的偏导
(运算1遍)。上面的比较只看到了2倍的加速。但如果有1亿个输入1个输出,意味着前向求导需要操作1亿遍才得到所有关于输入的偏导,而反向求导则只需一次运算,1亿倍的加速。数据分析师培训
当我们训练神经网络时,把“损失“ 看作 ”权重参数“ 的函数,需要计算”损失“关于每一个”权重参数“的偏导数(然后用梯度下降法学习)。 神经网络的权重参数可以是百万甚至过亿级别。因此 反向求导模式(反向传播算法)可以极大的加速学习。
数据分析咨询请扫描二维码
CDA持证人Louis CDA持证人基本情况 我大学是在一个二线城市的一所普通二本院校读的,专业是旅游管理,非计算机非统计学。毕业之 ...
2024-12-18最近,知乎上有个很火的话题:“一个人为何会陷入社会底层”? 有人说,这个世界上只有一个分水岭,就是“羊水”;还有人说,一 ...
2024-12-18在这个数据驱动的时代,数据分析师的技能需求快速增长。掌握适当的编程语言不仅能增强分析能力,还能帮助分析师从海量数据中提取 ...
2024-12-17在当今信息爆炸的时代,数据分析已经成为许多行业中不可或缺的一部分。想要在这个领域脱颖而出,除了热情和毅力外,你还需要掌握 ...
2024-12-17数据分析,是一项通过科学方法处理数据以获取洞察并支持决策的艺术。无论是在商业环境中提升业绩,还是在科研领域推动创新,数据 ...
2024-12-17在数据分析领域,图表是我们表达数据故事的重要工具。它们不仅让数据变得更加直观,也帮助我们更好地理解数据中的趋势和模式。相 ...
2024-12-16在当今社会,我们身处着一个飞速发展、变化迅猛的时代。不同行业在科技进步、市场需求和政策支持的推动下蓬勃发展,呈现出令人瞩 ...
2024-12-16在现代商业世界中,数据分析师扮演着至关重要的角色。他们通过解析海量数据,为企业战略决策提供有力支持。要有效完成这项任务, ...
2024-12-16在当今数据爆炸的时代,数据分析师是组织中不可或缺的导航者。他们通过从大量数据中提取可操作的洞察力,帮助企业在竞争激烈的市 ...
2024-12-16在现代企业中,数据分析师扮演着至关重要的角色。他们不仅负责处理和分析大量的数据,还需要将这些分析结果转化为切实可行的商业 ...
2024-12-16在当今的大数据时代,数据分析已经成为推动企业战略的重要组成部分。无论是金融、医疗、零售,还是制造业,各个行业对数据分析的 ...
2024-12-16在当今这个以数据为驱动力的时代,数据分析领域正在迅速扩展与发展。随着大数据、人工智能和机器学习技术的不断进步,数据分析已 ...
2024-12-16在信息爆炸和数据驱动的时代,数据分析专业是否值得一选成为许多人思考的议题。无论是刚刚迈入大学校门的新生,还是考虑职业转型 ...
2024-12-16适合数据分析专业学生的实习岗位有很多,以下是一些推荐: 阿里巴巴数据分析岗位实习:适合经济、统计学、数学及计算机专业的 ...
2024-12-16在数据科学领域,探索实习机会是一个理想的学习和成长方式。实习不仅可以提供宝贵的实践经验,还能帮助学生发展关键的数据分析技 ...
2024-12-16在当今信息驱动的时代,数据分析不仅成为了企业决策的重要一环,还催生了各种职业机会。从技术到业务,数据分析专业的就业岗位种 ...
2024-12-16在现代企业中,数据分析师被誉为“数据探险家”,他们通过揭示隐藏在数据背后的故事,帮助公司优化业务策略和做出明智的决策。然 ...
2024-12-16在大数据崛起的时代,数据分析师被誉为企业的“幕后英雄”。他们通过解读数据,揭示隐藏的真相,为企业战略提供重要的指导。这份 ...
2024-12-16在这个信息大爆炸的时代,数据分析师成为了企业中的“福尔摩斯”,他们能够从庞杂的数据中提取关键洞察,为业务发展提供坚实支持 ...
2024-12-16在这个数据为王的现代社会,数据分析师如同企业的导航员,洞悉数据背后所隐藏的商业机会和战略优势。然而,成为一名优秀的数据分 ...
2024-12-16