【机器学习】正向传播与反向传播

神经网络的训练过程中,正向传播(Forward Propagation)和反向传播(Backward Propagation)是两个核心步骤,分别涉及到信息的传递和误差的调整。

正向传播 (Forward Propagation)

正向传播是神经网络计算输出的过程。在每一层神经元中,输入信号经过加权和(权重w和偏置b)后通过激活函数(如ReLU、Sigmoid等)产生输出,并传递到下一层。输入层 接收输入数据之后,隐藏层 根据输入信号和权重进行计算。每个神经元接收到输入后,先通过加权求和,并加上偏置,然后通过激活函数得到输出,最后输出层生成最终的网络输出,通常经过某种形式的激活函数(如softmax或sigmoid),得到预测值。公式以及图示如下:

反向传播 (Backward Propagation)

反向传播是神经网络训练中用于优化权重的过程,它根据正向传播计算的输出与实际标签之间的误差(通常是损失函数的值)来调整每一层的权重。首先计算损失, 通过损失函数(如均方误差、交叉熵损失等)计算预测值与真实标签之间的差距;然后计算梯度, 反向传播算法通过链式法则计算每一层参数的梯度,即损失函数相对于每个参数的偏导数,最后进行**更新权重,**使用梯度下降(或其他优化算法,如Adam)根据计算出的梯度更新权重和偏置。更新公式为:

反向传播的关键在于通过逐层计算梯度,从输出层到输入层依次反向传播误差,调整每一层的权重,使得损失最小化。

正向传播 是神经网络从输入到输出的过程,主要用于计算输出结果。反向传播是根据输出和目标值之间的差距调整网络参数的过程,主要用于优化网络的权重和偏置。这两个过程交替进行,直到网络的损失函数最小化,达到训练目标。

卷积层中的反向传播

之前,我们讨论过在线性层中反向传播是如何进行操作的,现在我们讨论一下在卷积层中如何进行反向传播的计算。卷积层的操作本质上就是卷积核对图片进行卷积(对应相乘之后再相加),下图展示了一个3x3的卷积核,对5x5的图片进行卷积操作得到2x2的特征图的过程,其中卷积过程中的stride步长为2。

特征图上的像素点z1、z2、z3、z4的计算公式如下:

而通过对得到的特征图(z1、z2、z3、z4)进行操作,可以得到预测值y,最终计算除损失函数L。因为我们最终想要训练的参数值是卷积核上的数值,所以需要对w1...w9进行求偏导,根据链式法则,L先对z1...z4求偏导,然后再进一步分别对w1...w9求偏导。

损失函数L对卷积核上的权重值求偏导的公式如下所示:

将公式列出后,我们可以找到规律,L对z1求偏导的系数对应对应图片上相乘再相加后得到z1的元素部分,L对z2、z3、z4求偏导的系数也是一样的。

得到L对w1...w9的偏导(梯度)之后,我们就可以进行权重更新。

简化之后,可以得到与线性层相似的梯度更新公式:

这个过程通过不断地进行正向传播和反向传播,逐步调整卷积核的权重和偏置项,使得网络输出更接近实际目标。

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