张量链式法则（下篇）：揭秘Transpose、Summation等复杂算子反向传播，彻底掌握深度学习求导精髓！

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摘要

本文紧接系列的上篇，介绍了 transpose，summation，broadcast_to 等更为复杂的深度学习算子的反向传播公式推导。

写在前面

本系列文章的上篇介绍了张量函数链式法则公式，并以几个简单的算子为例子展示了公式的使用方法。本文将继续以更复杂的算子为例子演示公式的使用方法，求解这些算子的反向传播公式也是我研究张量函数链式法则的目的：因为对于 transpose，broadcast_to 这类会根据传入的参数改变输出张量维度数量的算子，常规的矩阵链式法则公式已无法解决。

常见算子的反向传播推导（下半部分）

复习一下

张量函数链式法则的公式为：

\[\nabla_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_n} = \sum_{\substack{\mu_1 \in [1, e_1] \\ \mu_2 \in [1, e_2] \\ \vdots \\ \mu_m \in [1, e_m]}} g_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_m} \frac{\partial}{\partial x_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_n}} f_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_m} \]

求解步骤为：我们首先需要确定各个张量的形状，然后把注意力集中到自变量里的某个元素，写出这个元素的导数表达式，然后再推广到整个导数张量。

接下来我们继续常见算子的反向传播公式推导。

Summation

这个算子是对输入张量沿着某些轴求和，这个算子有一个参数 axes，表示求和的规约轴，例如，对于一个四维张量 \(X \in \mathbb{R}^{d_1 \times d_2 \times d_3 \times d_4}\)，如果 axes=(2, 3)，\(F(X) \in \mathbb{R}^{d_1 \times d_4}\)，是一个二维张量，且 \(f_{ij} = \sum_{k=1}^{d_2} \sum_{l=1}^{d_3} X_{iklj}\)。

由此可见，对于多个轴的 summation 操作其实可以拆分为多次的对于一个轴的 summation，所以我们仅讨论 axes 只有一个轴的公式，对于有多个轴的场景可以将其视为复合函数，通过反复使用该公式来进行扩展。

单轴 Summation 问题描述

所以我们要解决的问题就变成了：函数 \(F\) 会对张量 \(X\) 的第 \(a\) 个维度进行求和，求该函数的反向传播公式。

（注：本文统一以 1 为起始下标，实际编程时 axes 是以 0 为起始下标，这个差异需要注意）

首先确定各个张量的形状，如果自变量 \(X \in \mathbb{R}^{d_1 \times d_2 \times \cdots \times d_n}\) 是一个 \(n\) 维张量，那么 \(F(X) \in \mathbb{R}^{d_1 \times d_2 \times \cdots \times d_{a-1} \times d_{a+1} \times \cdots \times d_n}\) 为 \(n-1\) 维张量。

单轴 Summation 问题求解

接下来可以写出每个自变量的导数的表达式：

\[\nabla_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_n} = \sum_{\substack{\mu_1 \in [1, e_1] \\ \mu_2 \in [1, e_2] \\ \vdots \\ \mu_{a-1} \in [1, e_{a-1}] \\ \mu_{a+1} \in [1, e_{a+1}] \\ \vdots \\ \mu_m \in [1, e_m]}} g_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_m} \cdot \frac{\partial f_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_m}}{\partial x_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_n}} \]

\[= \sum_{\substack{\mu_1 \in [1, e_1] \\ \mu_2 \in [1, e_2] \\ \vdots \\ \mu_{a-1} \in [1, e_{a-1}] \\ \mu_{a+1} \in [1, e_{a+1}] \\ \vdots \\ \mu_m \in [1, e_m]}} g_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_n} \cdot \frac{\partial}{\partial x_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_n}} \sum_{i=1}^{e_a} x_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_{a-1} i \mu_{a+1} \cdots \mu_n} \]

注意到，当且仅当 \(\mu_1 = \lambda_1, \mu_2 = \lambda_2, \ldots, \mu_n = \lambda_n\) 时，这个表达式值不为 0，且满足上述条件时，只有当 \(i = \lambda_a\) 时，求和表达式值为 1，\(i\) 为其他值时都为 0，所以这一项的最终结果是 \(g_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_n}\)。

所以最终的 \(\nabla = \text{broadcast}(G, a)\)，即把张量 \(G\) 在第 \(a\) 个轴做 broadcast_to（broadcast_to 操作的定义见下文）。

当然，这里实际操作时首先要对 \(G\) 做 reshape，把因为求和丢掉的轴 unsqueeze 回来，然后再通过 broadcast_to 操作广播到 \(X\) 的形状，具体可以参考下面的具体代码实现：

a = node.inputs[0]
target_dim_num = len(a.shape)
grad_new_shape = []
for i in range(target_dim_num):
    if i in self.axes:
        grad_new_shape.append(1)
    else:
        grad_new_shape.append(a.shape[i])
return broadcast_to(reshape(out_grad, grad_new_shape), a.shape)

多轴 Summation 问题求解

接下来讨论 axes 有多个的情形，通过上面的讨论，容易想到：只需要把求和规约掉的多个轴通过 reshape 进行 unsqueeze，然后再进行 broadcast 就行了。

实际情况正是如此，以两个轴为例，这种情况可以认为是两个单轴 summation 操作的复合，在实际进行反向传播时，会先传播到第一个单轴 summation，此时会进行一次 broadcast_to，然后这个结果会作为 \(G\) 继续传播到第二个单轴 summation，此时又会进行一次 broadcast_to，最终结果等价于把这两次 broadcast_to 放到一起完成。

严格的数学推导这里就不展开了，留作习题自证不难。

所以对于 Summation，最终的导数结果为：

\[\nabla = \text{broadcast\_to}(G, X.\text{shape}) \]

BroadcastTo

这个算子是对一个张量进行广播操作，也就是把张量的元素在若干个轴上进行"复制"的操作，形成一个更"充实"的张量。numpy，pytorch 等框架在处理形状不同的张量时会自动进行广播操作。例如，\(A\) 的形状是 \((6, 6, 5, 4)\)，\(B\) 的形状是 \((6, 5, 4)\)，在执行 \(A \odot B\) 时，框架会自动在 \(B\) 的左边补上维度 1，变成 \((1, 6, 5, 4)\)，然后再执行广播变成 \((6, 6, 5, 4)\)，然后再做哈达马积。

这里我们同样先讨论只针对一个轴进行 broadcast_to 的情形，多轴的情形同样可以视为多个单轴 broadcast_to 的嵌套。

（注：以下讨论涉及到的参数和实际编程中的参数有差异，实际编程中是直接传入 broadcast_to 之后的形状作为参数）

单轴 BroadcastTo 算子定义

单轴 broadcast_to 算子有两个参数：

• 参数 a，表示在哪一个轴进行广播，该算子要求自变量在这一维度的大小为 1
• 参数 b，表示要将这一维度广播到多大

这一算子的形式化的定义为：

• \(X \in \mathbb{R}^{d_1 \times d_2 \times \cdots \times d_n}\)，是 \(n\) 维张量，其中 \(d_a = 1\)，\(F(X) = \text{broadcast\_to}(X, a)\)
• 则 \(F(X) \in \mathbb{R}^{d_1 \times d_2 \times \cdots \times d_{a-1} \times b \times d_{a+1} \times \cdots \times d_n}\)，其中 \(f_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_n} = x_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_{a-1} 1 \lambda_{a+1} \cdots \lambda_n}\)。

直观上来看就是把 \(X\) 在第 \(a\) 维的元素复制了 \(b\) 份。

单轴 BroadcastTo 问题求解

首先可以确认，\(X\) 和 \(\nabla\) 形状相同，为 \(\mathbb{R}^{d_1 \times d_2 \times \cdots \times d_{a-1} \times 1 \times d_{a+1} \times \cdots \times d_n}\)，\(G\) 和 \(F(X)\) 的形状相同，为 \(\mathbb{R}^{d_1 \times d_2 \times \cdots \times d_{a-1} \times b \times d_{a+1} \times \cdots \times d_n}\)。

写出 \(\nabla\) 的表达式可得：

\[\nabla_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_n} = \sum_{\substack{ \mu_1 \in [1, e_1] \\ \mu_2 \in [1, e_2] \\ \vdots \\ \mu_a \in [1, b] \\ \vdots \\ \mu_n \in [1, e_n]}} g_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_n} \cdot \frac{\partial f_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_n}}{\partial x_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_n}} \]

把 \(F\) 的定义式代入，原式子可写作：

\[\sum_{\substack{ \mu_1 \in [1, e_1] \\ \mu_2 \in [1, e_2] \\ \vdots \\ \mu_a \in [1, b] \\ \vdots \\ \mu_n \in [1, e_n]}} g_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_n} \cdot \frac{\partial x_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_{a-1} 1 \mu_{a+1} \cdots \mu_n}}{\partial x_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_n}} \]

注意到，只有当 \(\mu_1 = \lambda_1, \mu_2 = \lambda_2, \ldots, \mu_{a-1} = \lambda_{a-1}, \mu_{a+1} = \lambda_{a+1}, \ldots, \mu_n = \lambda_n\) 时，求和式不为 0，所以这个式子可以进一步化简为：

\[\sum_{\mu_a \in [1, b]} g_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_{a-1} \mu_a \lambda_{a+1} \cdots \lambda_n} \]

这个表达式的值恰好就等于张量 \(G\) 在 \(a\) 轴做 Summation，所以有：

\[\nabla = \text{Summation}(G, a) \]

多轴 BroadcastTo 问题求解

和 Summation 类似，多轴情形下只需要对所有广播过的轴做 Summation 即可，由此可得，多轴情形下：

\[\nabla = \text{Summation}(G, (a_1, a_2, \ldots, a_m)) \]

其中 \(a_1, a_2, \ldots, a_m\) 是所有经过广播的轴的编号，具体可以参考以下代码实现：

old_shape = node.inputs[0].shape
new_shape = self.shape
sum_axes = []
for i in range(len(new_shape)):
    if i >= len(old_shape) or (old_shape[i] == 1 and new_shape[i] != 1):
        sum_axes.append(i)

return reshape(summation(out_grad, tuple(sum_axes)), old_shape)

Reshape

顾名思义，这个算子的作用就是改变张量的形状。numpy 对于这个操作的描述是：在不改变数组内容的情况下为数组赋予新的形状。可以认为 numpy 存储的多维张量本质上是一个连续的一维数组，形状只是我们看这个数组的一个视角 ，以二维张量为例，假设这个一维数组是 \([1,2,3,4,5,6]\)，如果以 \(2 \times 3\) 矩阵的视角去看，那就会是：

\[\begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \end{bmatrix} \]

如果以 \(6 \times 1\) 的矩阵视角去看，那就会是：

\[\begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \\ 4 \\ 5 \\ 6 \end{bmatrix} \]

Reshape 问题求解

这里我们可以猜一下，以三维张量为例，\(\nabla, X \in \mathbb{R}^{e_1 \times e_2 \times e_3}\)，\(G, F(X) \in \mathbb{R}^{d_1 \times d_2 \times d_3}\)，其中 \(e_1 \times e_2 \times e_3 = d_1 \times d_2 \times d_3\)。

注意到 \(\nabla\) 和 \(G\) 的元素数量相同，只是形状不同，那只需要进行一次 reshape 即可。

事实正是如此，对于 \(F(X) = \text{reshape}(X, \text{new\_shape})\)，其反向传播导数：

\[\nabla = \text{reshape}(G, X.\text{shape}) \]

这里具体的数学推导就不再赘述了，留作习题供读者练习。

（提示：可以考虑定义一个辅助函数，将原来轴的参数映射到新的轴上的参数）

Transpose

这一算子的定义是做转置，二维矩阵的转置很显然，就是行列互换。推广到 \(n\) 维张量，就是选择两个轴，然后在这两个轴上做互换。

（注：这里的 transpose 是 CMU Homework1 里面定义的，而非 numpy 里的定义，这里只会转置两个轴，但是这里推导得到的结果可以轻易推广到多轴的情形）

Transpose 形式化定义

• 这一算子有 2 个参数 a 和 b，表示需要转置的两个轴
• 若 \(X \in \mathbb{R}^{d_1 \times d_2 \times \cdots \times d_n}\)，是 \(n\) 维张量
• 则 \(F(X) \in \mathbb{R}^{d_1 \times d_2 \times \cdots \times d_{a-1} \times d_b \times d_{a+1} \times \cdots \times d_{b-1} \times d_a \times d_{b+1} \times \cdots \times d_n}\) 也是 \(n\) 维张量，只是第 \(a\) 维和第 \(b\) 维的大小互换了
• 且其中：

\[f_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_{a-1} \lambda_b \lambda_{a+1} \cdots \lambda_{b-1} \lambda_a \lambda_{b+1} \cdots \lambda_n} = f_{\lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_{a-1} \lambda_a \lambda_{a+1} \cdots \lambda_{b-1} \lambda_b \lambda_{b+1} \cdots \lambda_n} \]

Transpose 问题求解

这里也很容易才到，对 \(G\) 做同样的转置即可得到，这里同样不展开赘述了，留作习题供读者练习。

（提示：同样可以考虑定义映射轴的辅助函数来解决）

MatMul

这一算子是矩阵乘法，二维矩阵的公式已经在上一篇文章里给出，这里主要补充一下 batch 模式下的矩阵乘法。根据 numpy 里的定义，进行 MatMul 的两个张量 \(X\)，\(Y\) 可以是两个高维的张量，例如，当 \(X\) 的形状为 \((6, 6, 5, 3)\)，\(Y\) 的形状为 \((6, 6, 3, 4)\) 时，会把 \(X\) 视为是 36 个 \(5 \times 3\) 矩阵按照 \(6 \times 6\) 的格式排列，然后把 \(Y\) 视为 36 个 \(3 \times 4\) 的矩阵按照 \(6 \times 6\) 排列，最后将两个大矩阵中对应位置的两个小矩阵做矩阵乘法，最终会得到 36 个 \(5 \times 4\) 的小矩阵，组成一个形状为 \((6, 6, 5, 4)\) 的张量。

这一操作同样支持广播，即：如果 \(X\) 形状为 \((6, 6, 5, 3)\)，\(Y\) 的形状为 \((3,4)\)，那么最终结果会是形状为 \((6, 6, 5, 4)\) 的张量，即 \(X\) 的 36 个小矩阵每一个都和 \(Y\) 做矩阵乘法。

这种情形下，如果记单个矩阵乘法的函数为 MatMul，批量矩阵乘法函数为 MatMul_Batch，那么此时 MatMul_Batch 实际上是 MatMul(X, broadcast_to(Y, X.shape))，所以在处理 MatMul_Batch 对 \(Y\) 求导时，需要考虑到这里实际上是嵌套了一层广播的，而广播的反向传播是做 Summation，所以在套用单矩阵 MatMul 的反向传播公式之后还需要做一个 Summation 将形状变回和 \(Y\) 相同的形状，具体过程可以参考如下的代码实现：

（注：理论上是需要先做 Summation 再做 Matmul 的反向传播，但是先做 Summation 和后做是等价的，为了代码实现方便就统一放到后面来做了）

a, b = node.inputs
a_grad, b_grad = matmul(out_grad, transpose(b)), matmul(transpose(a), out_grad)

if len(a_grad.shape) > len(a.shape):
    sum_axes = tuple((i for i in range(len(a_grad.shape) - len(a.shape))))
    a_grad = summation(a_grad, sum_axes)

if len(b_grad.shape) > len(b.shape):
    sum_axes = tuple((i for i in range(len(b_grad.shape) - len(b.shape))))
    b_grad = summation(b_grad, sum_axes)

return a_grad, b_grad

一些剩下的简单算子

接下来放一些简单算子的反向传播公式，这里就只给出结果而省略推导过程了。

Negate

这个算子是把张量中所有元素取相反数，很显然：

\[\nabla = -G \]

Log

这个算子是对张量中所有元素取自然对数，很显然：

\[\nabla = \frac{G}{X} \]

Exp

这个算子是对张量中所有元素过一次指数函数 \(y = e^x\)，很显然：

\[\nabla = G \odot \exp(X) \]

EWisePow

这个算子接收 2 个相同形状的自变量 \(X\) 和 \(Y\)（如果形状不同会进行广播到相同形状），对于 \(X\) 里的每一个 \(x\)，取 \(Y\) 对应位置上的元素 \(y\)，做 \(x^y\)。

很显然：

\[\nabla^X = G \odot Y \odot \text{EWisePow}(X, Y - 1) \]

\[\nabla^Y = G \odot \text{EWisePow}(X, Y) \odot \log(X) \]