误差反向传播算法

❶ 一文搞懂反向传播算法

这是一场以误差（Error）为主导的反向传播（Back Propagation）运动，旨在得到最优的全局参数矩阵，进而将多层神经网络应用到分类或者回归任务中去。

前向传递输入信号直至输出产生误差，反向传播误差信息更新权重矩阵。这两句话很好的形容了信息的流动方向，权重得以在信息双向流动中得到优化，这让我想到了北京城的夜景，车辆川流不息，车水马龙，你来我往(* ॑꒳ ॑* )⋆*。

至于为什么会提出反向传播算法，我直接应用梯度下降（Gradient Descent）不行吗？想必大家肯定有过这样的疑问。答案肯定是不行的，纵然梯度下降神通广大，但却不是万能的。梯度下降可以应对带有明确求导函数的情况，或者说可以应对那些可以求出误差的情况，比如逻辑回归（Logistic Regression），我们可以把它看做没有隐层的网络；但对于多隐层的神经网络，输出层可以直接求出误差来更新参数，但其中隐层的误差是不存在的，因此不能对它直接应用梯度下降，而是先将误差反向传播至隐层，然后再应用梯度下降，其中将误差从末层往前传递的过程需要链式法则（Chain Rule）的帮助，因此反向传播算法可以说是梯度下降在链式法则中的应用。

为了帮助较好的理解反向传播概念，对它有一个直观的理解，接下来就拿猜数字游戏举个栗子。

这一过程类比没有隐层的神经网络，比如逻辑回归，其中小黄帽代表输出层节点，左侧接受输入信号，右侧产生输出结果，小蓝猫则代表了误差，指导参数往更优的方向调整。由于小蓝猫可以直接将误差反馈给小黄帽，同时只有一个参数矩阵和小黄帽直接相连，所以可以直接通过误差进行参数优化（实纵线），迭代几轮，误差会降低到最小。

这一过程类比带有一个隐层的三层神经网络，其中小女孩代表隐藏层节点，小黄帽依然代表输出层节点，小女孩左侧接受输入信号，经过隐层节点产生输出结果，小蓝猫代表了误差，指导参数往更优的方向调整。由于小蓝猫可以直接将误差反馈给小黄帽，所以与小黄帽直接相连的左侧参数矩阵可以直接通过误差进行参数优化（实纵线）；而与小女孩直接相连的左侧参数矩阵由于不能得到小蓝猫的直接反馈而不能直接被优化（虚棕线）。但由于反向传播算法使得小蓝猫的反馈可以被传递到小女孩那进而产生间接误差，所以与小女孩直接相连的左侧权重矩阵可以通过间接误差得到权重更新，迭代几轮，误差会降低到最小。

上边的栗子从直观角度了解了反向传播，接下来就详细的介绍其中两个流程前向传播与反向传播，在介绍之前先统一一下标记。

如何将输入层的信号传输至隐藏层呢，以隐藏层节点c为例，站在节点c上往后看（输入层的方向），可以看到有两个箭头指向节点c，因此a，b节点的信息将传递给c，同时每个箭头有一定的权重，因此对于c节点来说，输入信号为：

同理，节点d的输入信号为：

由于计算机善于做带有循环的任务，因此我们可以用矩阵相乘来表示：

所以，隐藏层节点经过非线性变换后的输出表示如下：

同理，输出层的输入信号表示为权重矩阵乘以上一层的输出：

同样，输出层节点经过非线性映射后的最终输出表示为：

输入信号在权重矩阵们的帮助下，得到每一层的输出，最终到达输出层。可见，权重矩阵在前向传播信号的过程中扮演着运输兵的作用，起到承上启下的功能。

既然梯度下降需要每一层都有明确的误差才能更新参数，所以接下来的重点是如何将输出层的误差反向传播给隐藏层。

其中输出层、隐藏层节点的误差如图所示，输出层误差已知，接下来对隐藏层第一个节点c作误差分析。还是站在节点c上，不同的是这次是往前看（输出层的方向），可以看到指向c节点的两个蓝色粗箭头是从节点e和节点f开始的，因此对于节点c的误差肯定是和输出层的节点e和f有关。

不难发现，输出层的节点e有箭头分别指向了隐藏层的节点c和d，因此对于隐藏节点e的误差不能被隐藏节点c霸为己有，而是要服从按劳分配的原则（按权重分配），同理节点f的误差也需服从这样的原则，因此对于隐藏层节点c的误差为：

同理，对于隐藏层节点d的误差为：

为了减少工作量，我们还是乐意写成矩阵相乘的形式：

你会发现这个矩阵比较繁琐，如果能够简化到前向传播那样的形式就更好了。实际上我们可以这么来做，只要不破坏它们的比例就好，因此我们可以忽略掉分母部分，所以重新成矩阵形式为：

仔细观察，你会发现这个权重矩阵，其实是前向传播时权重矩阵w的转置，因此简写形式如下：

不难发现，输出层误差在转置权重矩阵的帮助下，传递到了隐藏层，这样我们就可以利用间接误差来更新与隐藏层相连的权重矩阵。可见，权重矩阵在反向传播的过程中同样扮演着运输兵的作用，只不过这次是搬运的输出误差，而不是输入信号(我们不生产误差，只是误差的搬运工(っ̯ -｡))。

第三部分大致介绍了输入信息的前向传播与输出误差的后向传播，接下来就根据求得的误差来更新参数。

首先对隐藏层的w11进行参数更新，更新之前让我们从后往前推导，直到预见w11为止：

因此误差对w11求偏导如下：

求导得如下公式（所有值已知）：

同理，误差对于w12的偏导如下：

同样，求导得w12的求值公式：

同理，误差对于偏置求偏导如下：

带入上述公式为：

接着对输入层的w11进行参数更新，更新之前我们依然从后往前推导，直到预见第一层的w11为止（只不过这次需要往前推的更久一些）：

因此误差对输入层的w11求偏导如下：

同理，输入层的其他三个参数按照同样的方法即可求出各自的偏导，在这不再赘述。

在每个参数偏导数明确的情况下，带入梯度下降公式即可（不在重点介绍）：

至此，利用链式法则来对每层参数进行更新的任务已经完成。

利用链式法则来更新权重你会发现其实这个方法简单，但过于冗长。由于更新的过程可以看做是从网络的输入层到输出层从前往后更新，每次更新的时候都需要重新计算节点的误差，因此会存在一些不必要的重复计算。其实对于已经计算完毕的节点我们完全可以直接拿来用，因此我们可以重新看待这个问题，从后往前更新。先更新后边的权重，之后再在此基础上利用更新后边的权重产生的中间值来更新较靠前的参数。这个中间变量就是下文要介绍的delta变量，一来简化公式，二来减少计算量，有点动态规划的赶脚。

接下来用事实说话，大家仔细观察一下在第四部分链式求导部分误差对于输出层的w11以及隐藏层的w11求偏导以及偏置的求偏导的过程，你会发现，三个公式存在相同的部分，同时隐藏层参数求偏导的过程会用到输出层参数求偏导的部分公式，这正是引入了中间变量delta的原因（其实红框的公式就是delta的定义）。

大家看一下经典书籍《神经网络与深度学习》中对于delta的描述为在第l层第j个神经元上的误差，定义为误差对于当前带权输入求偏导，数学公式如下：

因此输出层的误差可以表示为（上图红色框公式）：

隐藏层的误差可以表示为（上图蓝色框公式）：

同时对于权重更新的表示为（上图绿色框公式）：

其实对于偏置的更新表示为（上图红色框）：

上述4个公式其实就是《神经网络与深度学习》书中传说的反向传播4大公式（详细推导证明可移步此书）：

仔细观察，你会发现BP1与BP2相结合就能发挥出最大功效，可以计算出任意层的误差，只要首先利用BP1公式计算出输出层误差，然后利用BP2层层传递，就无敌了，这也正是误差反向传播算法的缘由吧。同时对于权重w以及偏置b我们就可以通过BP3和BP4公式来计算了。

至此，我们介绍了反向传播的相关知识，一开始看反向传播资料的时候总觉得相对独立，这个教材这么讲，另一篇博客又换一个讲法，始终不能很好的理解其中的含义，到目前为止，思路相对清晰。我们先从大致流程上介绍了反向传播的来龙去脉，接着用链式求导法则来计算权重以及偏置的偏导，进而我们推出了跟经典着作一样样儿的结论，因此本人觉得较为详细，应该对初学者有一定的借鉴意义,希望对大家有所帮助。

Nielsen M A. Neural networks and deep learning[M]. 2015.
Rashid T. Make your own neural network[M]. CreateSpace IndependentPublishing Platform, 2016.

❷ 解读反向传播算法（BackPropagation）

冒泡~周末愉快鸭！

举个例子：
如下图所示，这是 带有一个隐层的三层神经网络 ，
-小女孩→隐藏层节点
-小黄帽→输出层节点
-哆啦A梦→误差
小女孩左侧接受输入信号，经过隐层节点产生输出结果，哆啦A梦则指导参数往更优的方向调整。 由于哆啦A梦可以直接将误差反馈给小黄帽，所以与小黄帽直接相连的左侧参数矩阵可以直接通过误差进行参数优化（实纵线）；而与小女孩直接相连的左侧参数矩阵由于不能得到哆啦A梦的直接反馈而不能直接被优化（虚棕线）。但由于反向传播算法使得哆啦A梦的反馈可以被传递到小女孩那进而产生间接误差，所以与小女孩直接相连的左侧权重矩阵可以通过间接误差得到权重更新，迭代几轮，误差会降低到最小。（ 也就是说小男孩得到的是直接误差，小女孩是间接误差 ）

接下来将用例子演示整个过程
假设有下图这样一个带权值的网络层，第一层是输入层，包含两个神经元i1，i2，和截距项b1；第二层是隐含层，包含两个神经元h1,h2和截距项b2，第三层是输出o1,o2，每条线上标的wi是层与层之间连接的权重，激活函数我们默认为sigmoid函数。

通过前向传播我们得到输出值为[0.75136079 , 0.772928465]，与实际值[0.01 , 0.99]相差还很远，接下来我们对误差进行反向传播，更新权值，重新计算输出。

3.输入层---->隐含层的权值更新：
在上文计算总误差对w5的偏导时，是从out(o1)---->net(o1)---->w5,但是在隐含层之间的权值更新时，是out(h1)---->net(h1)---->w1,而out(h1)会接受E(o1)和E(o2)两个地方传来的误差，所以这个地方两个都要计算。

根据BP算法的过程演示,可以得到BP算法的一般过程:
1. 正向传播FP(求损失)
此过程中，我们根据输入的样本、给定的初始化权重值W和偏置项的值b, 计算最终输出值以及输出值与实际值之间的损失值。（ 注意：如果损失值不在给定的范围内则进行接下来反向传播的过程， 否则停止W,b的更新。 ）
2.反向传播BP(回传误差)
将输出以某种形式通过隐层向输入层逐层反传,并将误差分摊给各层的所有单元，从而获得各层单元的误差信号,此误差信号即作为修正各单元权值的依据。（ 主要为： ①隐层到输出层的参数W的更新 ②从输入层到隐层的参数W的更新。 ）

Ending~理解计算和公式还是很重要的鸭！

❸ 神经网络——BP算法

对于初学者来说，了解了一个算法的重要意义，往往会引起他对算法本身的重视。BP(Back Propagation，后向传播)算法，具有非凡的历史意义和重大的现实意义。

1969年,作为人工神经网络创始人的明斯基(Marrin M insky)和佩珀特(Seymour Papert)合作出版了《感知器》一书,论证了简单的线性感知器功能有限,不能解决如“异或”(XOR )这样的基本问题,而且对多层网络也持悲观态度。这些论点给神经网络研究以沉重的打击,很多科学家纷纷离开这一领域,神经网络的研究走向长达10年的低潮时期。[1]

1974年哈佛大学的Paul Werbos发明BP算法时，正值神经外网络低潮期，并未受到应有的重视。[2]

1983年，加州理工学院的物理学家John Hopfield利用神经网络，在旅行商这个NP完全问题的求解上获得当时最好成绩，引起了轰动[2]。然而,Hopfield的研究成果仍未能指出明斯基等人论点的错误所在,要推动神经网络研究的全面开展必须直接解除对感知器——多层网络算法的疑虑。[1]

真正打破明斯基冰封魔咒的是，David Rumelhart等学者出版的《平行分布处理:认知的微观结构探索》一书。书中完整地提出了BP算法,系统地解决了多层网络中隐单元连接权的学习问题,并在数学上给出了完整的推导。这是神经网络发展史上的里程碑，BP算法迅速走红，掀起了神经网络的第二次高潮。[1,2]

因此，BP算法的历史意义：明确地否定了明斯基等人的错误观点，对神经网络第二次高潮具有决定性意义。

这一点是说BP算法在神经网络领域中的地位和意义。

BP算法是迄今最成功的神经网络学习算法，现实任务中使用神经网络时，大多是在使用BP算法进行训练[2],包括最近炙手可热的深度学习概念下的卷积神经网络(CNNs)。

BP神经网络是这样一种神经网络模型，它是由一个输入层、一个输出层和一个或多个隐层构成，它的激活函数采用sigmoid函数，采用BP算法训练的多层前馈神经网络。

BP算法全称叫作误差反向传播(error Back Propagation，或者也叫作误差逆传播)算法。其算法基本思想为：在2.1所述的前馈网络中，输入信号经输入层输入，通过隐层计算由输出层输出，输出值与标记值比较，若有误差，将误差反向由输出层向输入层传播，在这个过程中，利用梯度下降算法对神经元权值进行调整。

BP算法中核心的数学工具就是微积分的 链式求导法则 。

BP算法的缺点，首当其冲就是局部极小值问题。

BP算法本质上是梯度下降，而它所要优化的目标函数又非常复杂，这使得BP算法效率低下。

[1]、《BP算法的哲学思考》，成素梅、郝中华着

[2]、《机器学习》，周志华着

[3]、 Deep Learning论文笔记之（四）CNN卷积神经网络推导和实现

2016-05-13 第一次发布

2016-06-04 较大幅度修改，完善推导过程，修改文章名

2016-07-23 修改了公式推导中的一个错误，修改了一个表述错误

❹ 读懂反向传播算法（bp算法）

反向传播算法可以说是神经网络最基础也是最重要的知识点。基本上所以的优化算法都是在反向传播算出梯度之后进行改进的。同时，也因为反向传播算法是一个递归的形式，一层一层的向后传播误差即可，很容易实现（这部分听不懂没关系，下面介绍）。不要被反向传播吓到，掌握其核心思想就很容易自己手推出来。

我们知道神经网络都是有一个loss函数的。这个函数根据不同的任务有不同的定义方式，但是这个loss函数的目的就是计算出当前神经网络建模出来输出的数据和理想数据之间的距离。计算出loss之后，根据反向传播算法就可以更新网络中的各种参数以此使loss不断下降，即可使输出的数据更加理想。
所以，现在的任务是，已知一个网络的loss之后，如何根据loss来更新参数呢？具体点即如何更新网络节点中的权重w和偏差b的值呢？

这里我们采用的是全连接神经网络进行说明。
要想把这个过程说清楚，首先需要将神经网络中各个参数用文字表达清楚。定义的就是w和b在网络中的准确位置。

对于 表示的是神经网络中第 层第k个节点到神经网络中第 层第j个节点之间的权重。注意w的下标是首位表示的是节点后层节点的位置，末尾表示是前层节点的位置。理解这样的表达方式在后面的计算中会很好理解。
同理，对于b的表示：

b的表示相比于w要简单一些，符号 表示第l层网络在第j个节点的偏置。无论w还是b的表示，上标都是表示层数。并且 和 表示都是第l层网络第j个节点的参数。所以该节点的输出可以表示为：

神经网络输出之后会经过一个激活函数，这用激活函数用 表示，则经过激活函数输出为：

至此，根据上面符号 、 、 、 。我们可以对于神经网络里面每一个数据准确的表示了。

给定一个损失函数之后，用 表示，说白了反向传播就是求∂C/∂w和∂C/∂b，然后将这个值乘以和对应的w，b进行相减就可以实现一次的参数更新了。为什么这样的操作就可以优化网络，减小loss值呢？

来源于导数的概念和速度相关。∂C/∂w和∂C/∂b相当于loss值C相对于w和v变化的速度。如果∂C/∂w是正的，则增大w，C也会增大，如果希望C减小的话，应该减小w；并且∂C/∂w的绝对值越大，表示w对C的值影响越大，w稍微有一点变化，C就会有大幅变化。如果要优化C变小，w应该对应的减少多少呢？也没有一个确定的答案。这里通过变化的速度和学习率相乘作为一个减小的值。通过多轮迭代。最终是希望c达到最小点。而当函数落入最小值的时候，无论是局部最小还是全局最小，其周围一定是平滑的。所以此时∂C/∂w和∂C/∂b将会变得很小甚至为0，即参数不在更新了。当函数在局部最小点处参数不在更新出现梯度消失的问题时，目前也有各种trick进行解决。不是这里的重点。

为了好说明，这里定义一个很简单的损失函数C：

接下来就是有意思的阶段了。这里还是利用上一节中∂C/∂w和∂C/∂b的解释。如果我们想要求出∂C/∂w和∂C/∂b的值，即具体的 、 对C影响速率的值，我们找一个中间变量∂C/∂ 。因为我们知道:

我们定义：

当我们知道了 值之后，我们根据 式子可以很容易求出 。
利用导数的链式法则：

很容易推出来不是？同理可以求出：

可以看出通过媒介 很容易求出∂C/∂w和∂C/∂b。那么我们现在来理解一下 到底是什么意思，以及如何求出来每一个l层j节点的 值。

根据定义：

可以看出来 就是 对于C的影响大小(联系之前说的导数和速率的关系)。而 是第 层第 个神经元未进过激活函数之前的输出。所以我们可以理解 为网络中第 层第 个神经元对loss的影响。所以很直观的看法就是我们先求出单个神经元对loss值得影响，然后再计算该神经元内部参数对于loss的影响。

ok,如果我们已经理解了为什么要引入 变量以及如何利用该变量计算具体参数的梯度后，接下来我们就可以看看如何获得 值。反向传播的名字我想也就是通过计算 的方式而来的。是一层一层递归而来的。

既然说是递归的方式，我们来思考一下 和 之间有什么关系，如果找到这个关系之后，我们就可以默认我们如果知道最后一层网络节点的 值，我们就可以获得倒数第二层网络节点的 值，倒数第三层，倒数第四层，……以此推类即可获得整个网络的每个节点的 值。至此我们的反向传播也基本完成了。
所以最重要的有两点：

先看问题1，直接根据求导的链式法则就可以找出两个的关系，具体公式如下，可以多看看手写一下，思路上也很简单。

觉得这样的链式公式还是很直观的，如果不好理解，可以自己画一个神经网络图，连上节点与节点之间的线，标上参数，然后推一下应该就能理解了。
这里的 都表示的未经过激活函数的神经元的输出。 表示激活函数。因为：

所以：

带入上式就可以得出：

至此就找出了 和 之间的关系了。
(还能简化，根据最开始我们定义的 ）。

理解起来就是网络中前面一层某一个神经元对于loss的影响与该层的后一层所有的神经元对loss的影响、该神经元的输出大小、该神经元与后一层神经元连接的权重有关系的，并且是一个累加的效应。这样的理解也是非常直观合乎常理的。

现在万事具备，只差问题2了。即假设最后一层网络是L，最后一层 如何计算得出。最后一层的 值就像一个导火索，一旦有了开始，就可以利用我们之前推出来的： 公式进行反向传播了(反向传播还是很形象的不是？)。现在解决这个问题。这个问题就是和损失函数具体怎么定义有关系了。不过我们先不考虑C的具体形式，根据通用的链式法则我们可以得到：

这里需要注意的是最后一层激活函数使用的是哪种。最后一层激活函数在计算某一个神经元的输出时可能会结合其他节点的输出来计算。比如softmax激活函数，其输出的是一个概率值【0,1】。输出大小就是结合输出所有的值。

现在我们来考虑两个具体的损失函数，并且采用之前定义的均方误差损失函数 ：

求导为：
因为sigmoid输出的值仅仅和输入的x值有关 。所以 当 时值为0.所以：

根据上面，BP推导有三部曲，先求出 ，再根据 分别求出 、 。总结公式如下：

启动上面反传的导火索是最后一层的 值，计算公式为：

根据最后一层不同类型的激活函数不同对待。

❺ bp算法是什么

误差反向传播算法：

BP算法的基本思想是，学习过程包括两个过程：信号前向传播和误差后向传播。

（1）前向传播:输入样本->输入层->各隐层(处理)->输出层。

（2）错误反向传播:输出错误(某种形式)->隐藏层(逐层)->输入层。

BP算法基本介绍：

多层隐含层前馈网络可以极大地提高神经网络的分类能力，但长期以来一直没有提出解决权值调整问题的博弈算法。

1986年，Rumelhart和McCelland领导的科学家团队出版了《并行分布式处理》一书，详细分析了具有非线性连续传递函数的多层前馈网络的误差反向比例（BP）算法，实现了Minsky关于多层网络的思想。由于误差的反向传播算法常用于多层前馈网络的训练，人们常直接称多层前馈网络为BP网络。

❻ 反向传播算法的算法简介

反向传播算法（backpropagation）是目前用来训练人工神经网络（artificial
neural
network，ann）的最常用且最有效的算法。其主要思想是：
（1）将训练集数据输入到ann的输入层，经过隐藏层，最后达到输出层并输出结果，这是ann的前向传播过程；
（2）由于ann的输出结果与实际结果有误差，则计算估计值与实际值之间的误差，并将该误差从输出层向隐藏层反向传播，直至传播到输入层；
（3）在反向传播的过程中，根据误差调整各种参数的值；不断迭代上述过程，直至收敛。
反向传播算法的思想比较容易理解，但具体的公式则要一步步推导，因此本文着重介绍公式的推导过程。
1.
变量定义
上图是一个三层人工神经网络，layer1至layer3分别是输入层、隐藏层和输出层。如图，先定义一些变量：
表示第层的第个神经元连接到第层的第个神经元的权重；
表示第层的第个神经元的偏置；
表示第层的第个神经元的输入，即：
表示第层的第个神经元的输出，即：
其中表示激活函数。
2.
代价函数
代价函数被用来计算ann输出值与实际值之间的误差。常用的代价函数是二次代价函数（quadratic
cost
function）：
其中，表示输入的样本，表示实际的分类，表示预测的输出，表示神经网络的最大层数。
3.
公式及其推导
本节将介绍反向传播算法用到的4个公式，并进行推导。如果不想了解公式推导过程，请直接看第4节的算法步骤。
首先，将第层第个神经元中产生的错误（即实际值与预测值之间的误差）定义为：
本文将以一个输入样本为例进行说明，此时代价函数表示为：
公式1（计算最后一层神经网络产生的错误）：
其中，表示hadamard乘积，用于矩阵或向量之间点对点的乘法运算。公式1的推导过程如下：
公式2（由后往前，计算每一层神经网络产生的错误）：
推导过程：
公式3（计算权重的梯度）：
推导过程：
公式4（计算偏置的梯度）：
推导过程：
4.
反向传播算法伪代码
输入训练集
对于训练集中的每个样本x，设置输入层（input
layer）对应的激活值：
前向传播：
，
计算输出层产生的错误：