淺析深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）反向傳播算法(BP)

在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）模型與前向傳播算法中，我們對(duì)DNN的模型和前向傳播算法做了總結(jié)，這里我們更進(jìn)一步，對(duì)DNN的反向傳播算法（Back Propagation，BP）做一個(gè)總結(jié)。

1. DNN反向傳播算法要解決的問(wèn)題

在了解DNN的反向傳播算法前，我們先要知道DNN反向傳播算法要解決的問(wèn)題，也就是說(shuō)，什么時(shí)候我們需要這個(gè)反向傳播算法？

回到我們監(jiān)督學(xué)習(xí)的一般問(wèn)題，假設(shè)我們有m個(gè)訓(xùn)練樣本：{ ( x1 , y1 ) , ( x2 , y2 ) , ... , ( xm , ym ) }，其中 x 為輸入向量，特征維度為 n_in ，而 y 為輸出向量，特征維度為 n_out 。我們需要利用這 m 個(gè)樣本訓(xùn)練出一個(gè)模型，當(dāng)有一個(gè)新的測(cè)試樣本 ( xtest , ? ) 來(lái)到時(shí), 我們可以預(yù)測(cè) ytest 向量的輸出。

如果我們采用DNN的模型，即我們使輸入層有 n_in 個(gè)神經(jīng)元，而輸出層有 n_out 個(gè)神經(jīng)元。再加上一些含有若干神經(jīng)元的隱藏層。此時(shí)我們需要找到合適的所有隱藏層和輸出層對(duì)應(yīng)的線性系數(shù)矩陣 W ，偏倚向量 b ，讓所有的訓(xùn)練樣本輸入計(jì)算出的輸出盡可能的等于或很接近樣本輸出。怎么找到合適的參數(shù)呢？

如果大家對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)的算法優(yōu)化過(guò)程熟悉的話，這里就很容易聯(lián)想到我們可以用一個(gè)合適的損失函數(shù)來(lái)度量訓(xùn)練樣本的輸出損失，接著對(duì)這個(gè)損失函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求最小化的極值，對(duì)應(yīng)的一系列線性系數(shù)矩陣W,偏倚向量b即為我們的最終結(jié)果。在DNN中，損失函數(shù)優(yōu)化極值求解的過(guò)程最常見(jiàn)的一般是通過(guò)梯度下降法來(lái)一步步迭代完成的，當(dāng)然也可以是其他的迭代方法比如牛頓法與擬牛頓法。如果大家對(duì)梯度下降法不熟悉，建議先閱讀我之前寫(xiě)的梯度下降（Gradient Descent）小結(jié)。

對(duì)DNN的損失函數(shù)用梯度下降法進(jìn)行迭代優(yōu)化求極小值的過(guò)程即為我們的反向傳播算法。

2. DNN反向傳播算法的基本思路

在進(jìn)行DNN反向傳播算法前，我們需要選擇一個(gè)損失函數(shù)，來(lái)度量訓(xùn)練樣本計(jì)算出的輸出和真實(shí)的訓(xùn)練樣本輸出之間的損失。你也許會(huì)問(wèn)：訓(xùn)練樣本計(jì)算出的輸出是怎么得來(lái)的？這 個(gè)輸出是隨機(jī)選擇一系列 W ，b，用我們上一節(jié)的前向傳播算法計(jì)算出來(lái)的。即通過(guò)一系列的計(jì)算：

計(jì)算到輸出層第L層對(duì)應(yīng)的 aL 即為前向傳播算法計(jì)算出來(lái)的輸出。

回到損失函數(shù)，DNN可選擇的損失函數(shù)有不少，為了專注算法，這里我們使用最常見(jiàn)的均方差來(lái)度量損失。即對(duì)于每個(gè)樣本，我們期望最小化下式：

其中，aL 和 y 為特征維度為 n_out 的向量，而 ||S||2 為 S 的L2范數(shù)。

損失函數(shù)有了，現(xiàn)在我們開(kāi)始用梯度下降法迭代求解每一層的 W，b。

首先是輸出層第L層。注意到輸出層的 W，b 滿足下式：

這樣對(duì)于輸出層的參數(shù)，我們的損失函數(shù)變?yōu)椋?/p>

這樣求解 W，b 的梯度就簡(jiǎn)單了：

注意上式中有一個(gè)符號(hào) ⊙，它代表Hadamard積，對(duì)于兩個(gè)維度相同的向量 A ( a1 , a2 , ... an ) T 和 B ( b1 , b2 , ... bn ) T，則 A⊙B = ( a1b1,a2b2,... anbn ) T。

我們注意到在求解輸出層的 W，b 的時(shí)候，有公共的部分

因此我們可以把公共的部分即對(duì) zL 先算出來(lái)，記為：

現(xiàn)在我們終于把輸出層的梯度算出來(lái)了，那么如何計(jì)算上一層 L ? 1 層的梯度，上上層 L ? 2 層的梯度呢？這里我們需要一步步的遞推，注意到對(duì)于第l層的未激活輸出 zL ，它的梯度可以表示為：

如果我們可以依次計(jì)算出第 l 層的 δl ，則該層的 Wl，bl 很容易計(jì)算？為什么呢？注意到根據(jù)前向傳播算法，我們有：

所以根據(jù)上式我們可以很方便的計(jì)算出第 l 層的 Wl，bl 的梯度如下：

那么現(xiàn)在問(wèn)題的關(guān)鍵就是要求出 δl 了。這里我們用數(shù)學(xué)歸納法，第 L 層的 δL上面我們已經(jīng)求出， 假設(shè)第 l + 1 層的 δl+1 已經(jīng)求出來(lái)了，那么我們?nèi)绾吻蟪龅?l 層的 δl 呢？我們注意到：

可見(jiàn)，用歸納法遞推 δl+1 和 δl 的關(guān)鍵在于求解

而 zl+1 和 zl 的關(guān)系其實(shí)很容易找出：

這樣很容易求出：

將上式帶入上面 δl+1 和 δl 關(guān)系式我們得到：

現(xiàn)在我們得到了δl的遞推關(guān)系式，只要求出了某一層的 δl ，求解 Wl，bl 的對(duì)應(yīng)梯度就很簡(jiǎn)單的。

（注意，上面的矩陣求導(dǎo)推導(dǎo)部分不太嚴(yán)謹(jǐn)，定性理解即可。）

3. DNN反向傳播算法過(guò)程

現(xiàn)在我們總結(jié)下DNN反向傳播算法的過(guò)程。由于梯度下降法有批量（Batch），小批量(mini-Batch)，隨機(jī)三個(gè)變種，為了簡(jiǎn)化描述，這里我們以最基本的批量梯度下降法為例來(lái)描述反向傳播算法。實(shí)際上在業(yè)界使用最多的是mini-Batch的梯度下降法。不過(guò)區(qū)別僅僅在于迭代時(shí)訓(xùn)練樣本的選擇而已。

輸入: 總層數(shù) L ，以及各隱藏層與輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)，激活函數(shù)，損失函數(shù)，迭代步長(zhǎng) α，最大迭代次數(shù)MAX與停止迭代閾值 ?，輸入的 m 個(gè)訓(xùn)練樣本{ ( x1 , y1 ) , ( x2 , y2 ) , ... , ( xm , ym ) }

輸出：各隱藏層與輸出層的線性關(guān)系系數(shù)矩陣 W 和偏倚向量 b

1) 初始化各隱藏層與輸出層的線性關(guān)系系數(shù)矩陣 W 和偏倚向量 b 的值為一個(gè)隨機(jī)值。

2）for iter to 1 to MAX：

2-1) for i = 1 to m：

a) 將DNN輸入 a1 設(shè)置為 xi
b) for l = 2 to L，進(jìn)行前向傳播算法計(jì)算

c) 通過(guò)損失函數(shù)計(jì)算輸出層的 δi,L
d) for l= L-1 to 2, 進(jìn)行反向傳播算法計(jì)算

2-2) for l = 2 to L，更新第 l 層的 Wl，Wl，bl：

2-3) 如果所有 W，b 的變化值都小于停止迭代閾值 ?，則跳出迭代循環(huán)到步驟3。

3） 輸出各隱藏層與輸出層的線性關(guān)系系數(shù)矩陣 W 和偏倚向量 b 。

4. DNN反向傳播算法小結(jié)

有了DNN反向傳播算法，我們就可以很方便的用DNN的模型去解決第一節(jié)里面提到了各種監(jiān)督學(xué)習(xí)的分類回歸問(wèn)題。當(dāng)然DNN的參數(shù)眾多，矩陣運(yùn)算量也很大，直接使用會(huì)有各種各樣的問(wèn)題。有哪些問(wèn)題以及如何嘗試解決這些問(wèn)題并優(yōu)化DNN模型與算法，我們?cè)谙乱黄v。

編輯：jq