Deep Learning Note: 1-7 反向传播

Author: nex3z 2017-12-23

1. 神经网络中的梯度下降

　　本文以前面 给出的用于二分类的两层神经网络为例，展示神经网络中梯度下降的计算过程。在该神经网络中：

• 各层节点数分别为 $n^{[0]}$、$n^{[1]}$、$n^{[2]}$，由于是二分类问题，只有一个输出，故 $n^{[2]} = 1$
• 输入为 $n^{[0]} \times m$ 的特征向量矩阵 $X$，其中 $m$ 为样本个数
• 输出为 $1 \times m$ 的向量 $Y$

　　涉及的参数及其大小为：

• 第一层权重 $W^{[1]}$，$n^{[1]} \times n^{[0]}$
• 第一层偏置 $b^{[1]}$，$n^{[1]} \times 1$
• 第二层权重 $W^{[2]}$，$n^{[2]} \times n^{[1]}$，即 $1 \times n^{[1]}$
• 第二层偏置 $b^{[2]}$，$n^{[2]} \times 1$，即 $1 \times 1$

　　代价函数为：

$$\begin{equation} J(W^{[1]}, b^{[1]}, W^{[2]}, b^{[2]}) = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^m L(\hat{y}, y) \tag{1} \end{equation}$$

　　首先通过前向传播（Forward Propagation）计算网络输出：

$$\begin{equation} Z^{[1]} = W^{[1]}X + b^{[1]} \tag{2} \end{equation}$$

$$\begin{equation} A^{[1]} = g^{[1]}(Z^{[1]}) \tag{3} \end{equation}$$

$$\begin{equation} Z^{[2]} = W^{[2]}A^{[1]} + b^{[2]} \tag{4} \end{equation}$$

$$\begin{equation} A^{[2]} = g^{[2]}(Z^{[2]}) \tag{5} \end{equation}$$

　　然后通过反向传播（Backward Propagation，或 Backpropagation）计算各参数的偏导：

$$\begin{equation} dZ^{[2]} = A^{[2]} – Y \tag{6} \end{equation}$$

$$\begin{equation} dW^{[2]} = \frac{1}{m}dZ^{[2]}A^{[1]T} \tag{7} \end{equation}$$

$$\begin{equation} db^{[2]} = \frac{1}{m}np.sum(dZ^{[2]}, axis = 1, keepdims = True) \tag{8} \end{equation}$$

$$\begin{equation} dZ^{[1]} = W^{[2]T}dZ^{[2]} * g^{[1] \prime}(Z^{[1]}) \tag{9} \end{equation}$$

$$\begin{equation} dW^{[1]} = \frac{1}{m}dZ^{[1]}X^T \tag{10} \end{equation}$$

$$\begin{equation} db^{[1]} = \frac{1}{m}np.sum(dZ^{[1]}, axis = 1, keepdims = True) \tag{11} \end{equation}$$

　　上面 np.sum 为 Numpy 的函数，axis = 1 表示沿第一个维度求和，keepdims = True 表示保留维度（否则结果会变成一个大小为 $(n^{[2]}, )$ 的秩为 1 的数组，而不是一个大小为 $(n^{[2]}, 1)$ 的二维数组）。在对 $dZ^{[1]}$ 的计算中，$*$ 表示逐元素相乘，$W^{[2]T}dZ^{[2]}$ 和 $g^{[1] \prime}(Z^{[1]})$ 都是 $n^{[1]} \times m$ 的矩阵。

2. 反向传播的推导

　　前述神经网络的计算图如图 1所示。

　　其中：

$$\begin{equation} L(a^{[2]}, y) = -y\log{a^{[2]}} – (1 – y)log(1- a^{[2]}) \tag{12} \end{equation}$$

$$\begin{equation} \sigma(z^{[2]}) = \frac{1}{1 – e^{-z^{[2]}}} \tag{13} \end{equation}$$

　　首先计算第 2 层（输出层）各参数的偏导 $\frac{\partial L}{\partial W^{[2]}}$ 和 $\frac{\partial L}{\partial b^{[2]}}$，由式 (12)、(13)，有：

$$\begin{equation} \frac{\partial L}{\partial a^{[2]}} = – \frac{y}{a^{[2]}} + \frac{1 – y}{1 – a^{[2]}} \tag{14} \end{equation}$$

$$\begin{equation} \frac{da^{[2]}}{dz^{[2]}} = \sigma(z^{[2]})(1 – \sigma(z^{[2]})) = a(1 – a) \tag{15} \end{equation}$$

　　由链式法则，得：

$$\begin{align} \frac{\partial L}{\partial z^{[2]}} & = \frac{\partial L}{\partial a^{[2]}} \frac{da^{[2]}}{dz^{[2]}} \\ & = (- \frac{y}{a} + \frac{1 – y}{1 – a}) \cdot a(1 – a) \\ & = a^{[2]} – y \tag{16} \end{align}$$

　　则：

$$\begin{equation} \frac{\partial L}{\partial W^{[2]}} = \frac{\partial L}{\partial z^{[2]}} \frac{\partial z^{[2]}}{\partial W^{[2]}} = \frac{\partial L}{\partial z^{[2]}}a^{[1]T} \tag{17} \end{equation}$$

$$\begin{equation} \frac{\partial L}{\partial b^{[2]}} = \frac{\partial L}{\partial z^{[2]}} \frac{\partial z^{[2]}}{\partial b^{[2]}} = \frac{\partial L}{\partial z^{[2]}} \tag{18} \end{equation}$$

　　然后来到第一层：

$$\begin{equation} \frac{\partial L}{\partial z^{[1]}} = \frac{\partial L}{\partial z^{[2]}} \frac{\partial z^{[2]}}{\partial a^{[1]}} \frac{\partial a^{[1]}}{\partial z^{[1]}} = W^{[2]T} \frac{\partial L}{\partial z^{[2]}} * \sigma'(z^{[1]}) \tag{19} \end{equation}$$

$$\begin{equation} \frac{\partial L}{\partial W^{[1]}} = \frac{\partial L}{\partial z^{[1]}} \frac{\partial z^{[1]}}{\partial W^{[1]}} = \frac{\partial L}{\partial z^{[1]}} x^T \tag{20} \end{equation}$$

$$\begin{equation} \frac{\partial L}{\partial b^{[1]}} = \frac{\partial L}{\partial z^{[1]}} \frac{\partial z^{[1]}}{\partial b^{[1]}} = \frac{\partial L}{\partial z^{[1]}} \tag{21} \end{equation}$$

　　其中式 (19) 中的 $*$ 表示逐元素相乘。

　　以上就是通过反向传播计算单个样本下各参数偏导的过程，将式 (16)~(21) 整理如下：

$$\begin{equation} dz^{[2]} = a^{[2]} – y \tag{22} \end{equation}$$

$$\begin{equation} dW^{[2]} = dz^{[2]}a^{[1]T} \tag{23} \end{equation}$$

$$\begin{equation} db^{[2]} = dz^{[2]} \tag{24} \end{equation}$$

$$\begin{equation} dz^{[1]} = W^{[2]T}dz^{[2]} * g^{[1] \prime}(z^{[1]}) \tag{25} \end{equation}$$

$$\begin{equation} dW^{[1]} = dz^{[1]}x^T \tag{26} \end{equation}$$

$$\begin{equation} db^{[1]} = dz^{[1]} \tag{27} \end{equation}$$

　　上面各式将 $\frac{\partial L}{\partial x}$ 简写成 $dx$ 的形式。另外注意式 (25) 中的 $g^{[1]}$ 表示第 1 层的激活函数，即式 (19) 中的 $\sigma$。

2. 向量化计算 m 个样本

　　将式 (22)~(27) 扩展到 m 个样本的情况，依然使用各个样本的特征向量水平叠加的形式表示 m 个样本的集合，即 $X = [x^{(1)} x^{(2)} … x^{(m)} ]$，则有：

$$\begin{equation} dZ^{[2]} = A^{[2]} – Y \tag{28} \end{equation}$$

$$\begin{equation} dW^{[2]} = \frac{1}{m} dZ^{[2]}A^{[1]T} \tag{29} \end{equation}$$

$$\begin{equation} db^{[2]} = \frac{1}{m} np.sum(dZ^{[2]}, axis = 1, keepdims = True) \tag{30} \end{equation}$$

$$\begin{equation} dz^{[1]} = W^{[2]T}dZ^{[2]} * g^{[1] \prime}(Z^{[1]}) \tag{31} \end{equation}$$

$$\begin{equation} dW^{[1]} = \frac{1}{m} dZ^{[1]}X^T \tag{32} \end{equation}$$

$$\begin{equation} db^{[1]} = \frac{1}{m} np.sum(dZ^{[1]}, axis = 1, keepdims = True) \tag{33} \end{equation}$$

　　上面式 (29)、(32) 中的 $\frac{1}{m}$ 来自于代价函数 $J = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^mL(\hat{y}, y)$。式 (29)~(32) 即为前面式 (6)~(11)。