首先我们不讲数学,先上图解,看完图不懂再看后面:
"BP" Math Principle
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Example:下面看一个简单的三层神经网络模型,一层输入层,一层隐藏层,一层输出层。
注:定义输入分别为x1, x2(对应图中的i1,i2),期望输出为y1,y2,假设logistic函数采用sigmoid函数:
下面开始正式分析(纯手打!!!)。
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前向传播
首先分析神经元h1:
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反向传播
【输出层】
同理可以更新参数w6,w7,w8。
在有新权重导入隐藏层神经元(即,当继续下面的反向传播算法时,使用原始权重,而不是更新的权重)之后,执行神经网络中的实际更新。
【隐藏层】
分别求每一项:
于是有Jtotal对w1的偏导数:
据此更新w1,有:
同理可以更新参数w2,w3,w4。
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应用实例
假设对于上述简单三层网络模型,按如下方式初始化权重和偏置:
根据上述推导的公式:
由
![][01]
得到:
input(h1) = 0.15 * 0.05 + 0.20 * 0.10 + 0.35 = 0.3775
output(h1) = f(input(h1)) = 1 / (1 + e^(-input(h1))) = 1 / (1 + e^-0.3775) = 0.593269992
同样得到:
input(h2) = 0.25 * 0.05 + 0.30 * 0.10 + 0.35 = 0.3925
output(h2) = f(input(h2)) = 1 / (1 + e^(-input(h2))) = 1 / (1 + e^-0.3925) = 0.596884378
对输出层神经元重复这个过程,使用隐藏层神经元的输出作为输入。这样就能给出o1的输出:
input(o1) = w5 * output(h1) + w6 * (output(h2)) + b2 = 0.40 * 0.593269992 + 0.45 * 0.596884378 + 0.60 = 1.105905967
output(o1) = f(input(o1)) = 1 / (1 + e^-1.105905967) = 0.75136507
同理output(o2) = 0.772928465
开始统计所有误差,求代价函数:
Jo1 = 1/2 * (0.75136507 - 0.01)^2 = 0.298371109
Jo2 = 1/2 * (0.772928465 - 0.99)^2 = 0.023560026
综合所述,可以得到总误差为:Jtotal = Jo1 + Jo2 = 0.321931135
然后反向传播,根据公式
![][16]
求出 Jtotal对w5的偏导数为:
a = (0.75136507 - 0.01)*0.75136507*(1-0.75136507)*0.593269992 = 0.082167041
为了减少误差,然后从当前的权重减去这个值(可选择乘以一个学习率,比如设置为0.5),得:
w5+ = w5 - eta * a = 0.40 - 0.5 * 0.082167041 = 0.35891648
同理可以求出:
w6+ = 0.408666186
w7+ = 0.511301270
w8+ = 0.561370121
对于隐藏层,更新w1,求Jtotal对w1的偏导数:
![][26]
![][27]
![][28]
偏导数为:
b = (tmp1 + tmp2) * tmp3
tmp1 = (0.75136507 - 0.01) * [0.75136507 * (1 - 0.75136507)] * 0.40 = 0.74136507 * 0.186815602 * 0.40 = 0.055399425
tmp2 = -0.019049119
tmp3 = 0.593269992 * (1 - 0.593269992) * 0.05 = 0.012065035
于是b = 0.000438568
更新权重w1为:
w1+ = w1 - eta * b = 0.15 - 0.5 * 0.000438568 = 0.149780716
同样可以求得:
w2+ = 0.19956143
w3+ = 0.24975114
w4+ = 0.29950229
最后,更新了所有的权重! 当最初前馈传播时输入为0.05和0.1,网络上的误差是0.298371109。 在第一轮反向传播之后,总误差现在下降到0.291027924。 它可能看起来不太多,但是在重复此过程10,000次之后。例如,错误倾斜到0.000035085。
在这一点上,当前馈输入为0.05和0.1时,两个输出神经元产生0.015912196(相对于目标为0.01)和0.984065734(相对于目标为0.99),已经很接近了O(∩_∩)O~~