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神经网络中的前向和后向算法
看了一段时间的深度网络模型,也在tf和theano上都跑了一些模型,但是感觉没有潜下去,对很多东西的理解都只停留在“这个是干什么的”层次上面。昨天在和小老师一起看一篇文章的时候,就被问到RNN里面的后向传播算法具体是怎么推。当时心里觉得BP算法其实很熟悉啊,然后在推导的过程中就一脸懵逼了。于是又去网上翻了翻相关内容,自己走了一遍,准备做个笔记,算是个交代。
准备一个神经网络模型,比如:
其中,[i1,i2]
代表输入层的两个结点,[h1,h2]代表隐藏层的两个结点,[o1,o2]为输出。[b1,b2]
为偏置项。连接每个结点之间的边已经在图中标出。
来了解一下前向算法:
前向算法的作用是计算输入层结点对隐藏层结点的影响,也就是说,把网络正向的走一遍:输入层—->隐藏层—->输出层
计算每个结点对其下一层结点的影响。
例如,我们要算结点h1
的值,那么就是:
是一个简单的加权求和。这里稍微说一下,偏置项和权重项的作用是类似的,不同之处在于权重项一般以乘法的形式体现,而偏置项以加法的形式体现。
而在计算结点o1时,结点h1的输出不能简单的使用neth1的结果,必须要计算激活函数,激活函数,不是说要去激活什么,而是要指“激活的神经元的特征”通过函数保留并映射出来。以sigmoid函数为例,h1的输出:
于是
最后o1的输出结果,也就是整个网络的一个输出值是:
按照上面的步骤计算出out02,则[outo1,outo2]就是整个网络第一次前向运算之后得到的结果。
后向算法:
在实际情况中,因为是随机给定的权值,很大的可能(几乎是100%)得到的输出与实际结果之间的偏差非常的大,这个时候我们就需要比较我们的输出和实际结果之间的差异,将这个残差返回给整个网络,调整网络中的权重关系。这也是为什么我们在神经网络中需要后向传播的原因。其主要计算步骤如下:
1. 计算总误差
2. 隐藏层的权值更新
在要更新每个边的权重之前,必须要知道这条边对最后输出结果的影响,可以用整体误差对w5求偏导求出:
具体计算的时候,可以采用链式法则展开:
在计算的时候一定要注意每个式子里面哪些自变量是什么,求导千万不要求错了。
需要讲出来的一个地方是,在计算w1的权重时,Etotal中的两部分都需要对它进行求导,因为这条边在前向传播中对两个残差都有影响
3. 更新权重 这一步里面就没什么东西了,直接根据学习率来更新权重:

至此,一次正向+反向传播过程就到此为止,接下来只需要进行迭代,不断调整边的权重,修正网络的输出和实际结果之间的偏差(也就是training整个网络)。
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