平方损失函数为例的BP的关键公式推导
看了刘建平老师的博客https://www.cnblogs.com/pinard/p/6422831.html对如下其中两个公式进行详细推导
损失函数为(大写字母为矩阵,小写字母字母加粗为列向量,其中\(W^L\)的维度为\(M_L*M_{L-1}\),即第\(L\)层神经元个数乘以第\(L-1\)层神经元个数):
\]
推导的两个公式如下:
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\]
用到两个链式求导法则如下(都来源于刘建平老师博客,链接在文章末尾)
当标量对n个向量进行链式求导,即\(\mathbf{y}_{1} \rightarrow \mathbf{y}_{2} \rightarrow \ldots \rightarrow \mathbf{y}_{\mathbf{n}} \rightarrow z_{1}\),链式求导法则如下:
\]
当\(z=f(\mathbf {y}),\mathbf {y}=X\mathbf {a}+\mathbf {b}\)即\(X\rightarrow \mathbf{y}\rightarrow z\) 其中\(X\)为矩阵,\(\mathbf {y}\)为向量,链式求导结果如下:
\]
先推导第一个公式,考虑如下复合结构(注意最后所求的\(J\)是标量)
\]
其中$$J=\frac{1}{2}\Vert \mathbf{u}^L \Vert_2^2 $$
\]
\]
由公式\((2)\)可得
\]
又有公式\((1)\)可得
\]
其中后半部分比较简单
\]
前半部分向量对向量求导,布局为雅克比矩阵形式,结果如下:
\frac{\partial \sigma\left(z_{1}^{L}\right)}{\partial z_{1}^{L}} & 0 & \cdots & 0 \\
0 & \frac{\partial \sigma\left(z_{2}^{L}\right)}{\partial z_{2}^{L}} & \cdots & 0 \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
0 & 0 & \cdots & \frac{\partial \sigma\left(z_{M_{L}}^{L}\right)}{\partial z_{M_{L}}^{L}}
\end{array}\right)=\operatorname{diag}\left(\sigma^{\prime}\left(\mathbf{z}^{L}\right)\right)
\]
得到的矩阵为对称矩阵,带入到上式,结果为:
\]
故
\]
第二个式子推导就很简单,由公式\((1)\)可得
\]
前半部分为单位矩阵\(E\)后半部分求第一个式子时已经求过,故
\]
参考博客(矩阵向量求导的知识):
求导定义与布局
矩阵向量求导之定义法
矩阵向量求导之微分法法
矩阵向量求导链式法则
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