理解梯度下降和反向传播
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发布时间：2022-10-15 20:16
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热心网友
时间：2023-10-11 15:45
梯度下降就是一个求极值的方法，在深度学习里面用于最小化损失来训练权重和偏差。
先举个简单的例子，
比如，我们要求如上曲线函数的极小值，我们只要对其求导然后找导数为0的点就可以了。
但是在实际情况会比这个要复杂的多，因为我们会有更多的变量，特别是对于神经网络而言，它可能以复杂的方式依赖于几十亿的权重和偏差，因此依靠微分来求极值显然是行不通的。
但是你想呀，我们有计算机呀，计算机最擅长什么？当然是硬算呀...
想必玩过猜数字游戏吧，你先随便猜一个，然后告知你大了还是小了，如果大了你就往小了猜，小了就往大了猜，如此循环往复就猜到对应的数字了。
梯度下降的过程也是有点类似的，就是你先随便选一个点，然后往减小的方向一点点移动，移动着移动着，你就到了那块最小的值的区域了。
那么，这个方向应该怎么确定呢？暂时先不去想它，假设我们就给我们的变量 随意移动了很小的一段 ,那么函数值 会发生多少变化呢？微积分告诉我们会这么改变：
要让 的值减小，就意味着我们要让 为负。
在此之前，我们先把上面的偏导扩展到多元变量，即不止有一个变量 ，而是有 ,我们将所有变量的偏导数组合在一起构成一个向量，将其称为梯度向量，即
把所有发生的变化 也写到一个向量里:
我们可以把 的表达式写成：
观察上面的公式，容易想到的是，我们只要选择
就可以保证 小于等于0了，其中 是一个小的正数（我们称之为学习速率或者是步长）。然后，我们就知道该如何移动这个点了：
然后让计算机使用这个规则，一遍一遍的迭代，就能让损失函数的值 达到我们希望的极小值。
总而言之，梯度下降算法的工作方式是反复计算梯度 ，然后向相反方向移动。
那么，我们如何把它应用到神经网络的学习中？显而易见的，就是利用梯度下降来找到相应的权重 和偏差 ，让损失函数的值尽可能的小。套用上面的公式，我们只要随机取一个 和 ，利用更新的规则，就有了：
在来想一下我们网络损失函数的定义，当使用二次损失时， ,也就是说，神经网络中的损失，是所有训练样本损失的平均。但是，当数据集很大的时候，这会花费很长很长的时间，因此网络的学习速度会非常非常慢。于是就有了一种叫做随机梯度下降的思想来加速学习。
这个想法其实很简单，就是随机选取一个小的批次，然后只计算这个批次的平均损失，这样只要每个批次的平均损失都最小的话，那整体也就最小了。特别的，当这个批次只去一个样本的时候，神经网络一次只能从一个训练输入中学习，这种行为被称为在线学习。
okay，现在我们已经知道用梯度下降来让网络学习权重和偏差了，但是还有一个问题困扰着我们，就是你这个方法说起来简单，可是...可是这个梯度要怎么算呀？
然后一种快速计算梯度的算法，叫做反向传播算法就来了。
反向传播算法的核心在于如何通过最终的损失 计算网络中任意位置的权值 (或者偏差 )的偏导 。
很明显，其实最后一层的偏导是很好计算的，因为损失只要把样本 对应的标签 和输出激活 ，带到损失函数里就得到了，问题在于怎么计算前面层的损失。顾名思义，反向传播算法的精髓就是搞出了一种方法，可以把误差从后往前反向传播，这样就可以轻松的计算前面层权值的偏导了。
在开始正式讲解之前，我们先来定义几个符号：
根据上面的符号表达，我们可以很轻松的写出正向传播的递推公式，就上一层的的输出激活作为下一层的输入，然后经过线性运算再输出 激活，这里使用向量化的形式：
为了计算 和 ，我们引入一个中间变量 ,称其为第 层的第 个神经元的误差：
按照惯例，我们用 来代表第 层的误差向量。
根据微积分中求导的链式法则，有
并且可以得到一个递推公式
写成矩阵的形式，就是
这样我们就可以将误差从后往前传递了。
那么这个误差和我们的偏导 又有什么联系呢？还是根据链式法则：
到此，整个反向传播的过程就连起来了。求偏差的偏导使用同样的方法即可。
