神经网络基础-反向传播_神经网络反向传播

在神经网络中，信息流动有两个方向，一个是向前传播，一个是向后传播。

向前传播是指，输入层数据从前向后，逐步传递到输出层；

向后传播是指，损失函数从后向前，将梯度逐步传递到第一层。

向前传播用于计算预测值，向后传播为了修正预测值，将误差从最后一层传回第一层，利用链式求导的梯度修正参数，使网络输出的预测值更接近真实值，也就是使误差更小。此处有两个重要概念，衡量输出与真实值差异的损失函数，梯度反向传播的链式求导法则。

（1）假设此处损失函数，其中表示预测值，y表示真实值。

（2）微积分中，y=f(u),u=g(x)，则y对x的偏导为

1. 反向传播的计算过程

图1 计算图的链式求导过程 

图中，x是输入数据，是线性变化乘法，是非线性激活函数，是损失函数，是输出O，y是真实值标签。

求导过程涉及矩阵的求导，计算较为复杂，为了简便了解过程，利用计算符号prod(x,y)表示x与y根据形状做必要变换，然后相乘。

 2. 梯度下降

梯度是一个向量，方向为方向导数取得最大值的方向，也就是变化率最大的方向。 

梯度是使函数值最快变大的方向，而反向传播是使损失函数最快变小的方向，因此，下降法是沿着梯度的负方向，使损失函数减小。

假设，损失函数，

w0=2，loss=16，loss'=16

x1=w0-loss'=2-16=-14, loss= 784, loss'=-112

x2=w1-loss'=-144+112=98, loss=98

误差反向传播两次后，w值调整了两次，但loss并没有变小。这是因为沿地图负方向下降的步长过大，跨过了最小值区域。因此需要设置一个恰好的步长，使loss更快接近最小值。

图2 无学习率的参数更新

 3. 学习率

 学习率（learning rate，简称lr）用来控制更新步长的长度。

加入学习率后参数更新：w(i+1) = w(i) - lr * loss'

图3 不同学习率下的参数更新