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深度学习中的反向传播算法的原理

news 文章来源：https://blog.csdn.net/timer_017/article/details/140186475 2024/10/6 0:42:48

深度学习中的反向传播算法的原理，以及如何计算梯度

反向传播算法（Backpropagation）是深度学习中最核心的优化技术之一，用于训练神经网络。它基于链式法则，通过从输出层逆向计算误差并逐层传递到输入层来更新模型参数，使得损失函数最小化。

基本原理：

假设我们有一个深层的前馈神经网络，每个节点都有一个权重需要调整。当我们向前传播数据并通过网络预测输出时，会得到一个预测值和一个实际标签之间的差异（称为损失）。反向传播的主要步骤包括：

前向传播：数据通过网络层，每一层将上一层的输出作为输入，并生成下一层的输出。
激活函数导数：对每个非线性激活函数求导，因为在反向过程中需要用到它们的梯度。
误差计算：在最后一层，用预测结果与真实标签比较，得出误差。
反向传播：从输出层开始，利用链式法则计算每层参数对总损失的贡献，也就是梯度。这个过程逐步回溯至输入层。
计算梯度：对于每个权重矩阵，反向传播算法计算的是它导致误差增量的比例，即该权重变化对整个损失函数的影响。这一步通常使用链式法则，可以简化为对每一个权重w，其梯度dw等于对应误差∂L/∂w乘以输入x的梯度∂x/∂w。这个过程逐层递归，直到到达最底层的权重。

反向传播算法是如何处理非线性激活函数的？

反向传播算法（Backpropagation）在处理包含非线性激活函数的神经网络时，通过链式法则来进行梯度计算。当网络层采用诸如sigmoid、ReLU这样的非线性函数时，这些函数不是可导的或者导数有零点，这给直接求解损失函数关于权重的梯度带来了挑战。

具体步骤如下：

前向传播: 网络进行正常前向传播，计算每个节点的输出值，包括隐藏层和输出层。

初始化梯度: 对于每个权重，初始时梯度设为0，表示尚未更新。

成本计算: 计算整个网络的输出误差，通常使用交叉熵或其他损失函数。

反向传播: 从输出层开始，计算当前节点误差对每个输入的影响，即梯度。对于非线性激活，需要根据该节点的函数形式计算其导数（如sigmoid的导数在某些点接近0）。

权重更新: 使用这个梯度，按照学习率调整相应的权重，使得损失函数朝着下降的方向移动。

回溯到隐藏层: 逐层将上一层的梯度传递下去，并乘以相应权重的梯度（链式法则），更新隐藏层的权重。

这个过程不断迭代，直到网络收敛或达到预设的训练轮数。