神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播算法

1. 前言


反向傳播算法的簡(jiǎn)單計(jì)算過(guò)程


2. 反向傳播算法


2.1? 示例及初始數(shù)據(jù)


舉例說(shuō)明反向傳播算法的計(jì)算流程

圖1? 一個(gè)用于示例的網(wǎng)絡(luò)層

偏置單元(Bias):? ? ? b1 = b2 = 1? ?

輸入單元(Input):? ? ?i1 = 0.05? ? i2 = 0.10

隱藏單元(Hidden):??h1,? h2? ? ? ? ? ?

輸出單元(Output):??o1,? o2

權(quán)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

期望輸出(Target Output):T(o1) = 0.01? ? T(o2) = 0.99

[ 目標(biāo) ]? 輸入值 i1, i2 腋逆,經(jīng)過(guò)反向傳播,使得輸出值o1, o2與期望輸出T(o1), T(o2)接近


2.2? 算法流程


第1步:前向傳播(計(jì)算出輸出值 )

[前向傳播的計(jì)算公式]

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

假設(shè)(hypothesis):??z=W^\top x

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??h(z) = g(z)

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

計(jì)算出隱藏層單元h1的輸出值
?同理侈贷,計(jì)算出隱藏層單元h2的輸出值
根據(jù)h1, h2的值惩歉,依次計(jì)算出輸出層單元o1, o2的輸出值

[前向傳播的輸出結(jié)果]

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

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


第2步:反向傳播(更新權(quán)重)

[反向傳播的計(jì)算公式]

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在(i_{k}  ,T_{k}  )上的均方誤差:E_{k} =\frac{1}{2} \sum_{j=1}^l a_{o_{k}}  -T_{o_{k}})^2?

l為輸出單元數(shù),?a_{o_{k}}為輸出單元值,?T_{o_{k}}為期望輸出值,\frac{1}{2} 是為后續(xù)求導(dǎo)的方便)

鏈?zhǔn)椒▌t:\frac{d_{u} }{d_{x}} =\frac{d_{u} }{d_{y}}\cdot \frac{d_{y} }{d_{x}}

由各輸出單元誤差E_{o1} ,E_{o2} 計(jì)算總誤差E_{total}


以權(quán)重W5為例,使用鏈?zhǔn)椒▌t求W5對(duì)總誤差E_{total} 產(chǎn)生的影響??
鏈?zhǔn)椒▌t示意圖


\frac{d E_{total} }{da_{o1} }
\frac{d a_{o1} }{dz_{o1} }
\frac{d z_{o1} }{dW_{5} }
將以上3個(gè)式子結(jié)果相乘俏蛮,得到\frac{d E_{total} }{dW_{5} }

結(jié)合鏈?zhǔn)椒▌t求導(dǎo)過(guò)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} 表示輸出層的誤差:

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


因此撑蚌,\frac{d E_{total} }{dW_{5} } 可表達(dá)為如下形式:

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


設(shè)學(xué)習(xí)率\alpha 為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

同理搏屑,更新W6, W7, W8的值:

W_{6} =0.408666186

W_{7} =0.511301270

W_{8} = 0.561370121

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