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):

\[J(W, \mathbf{b}, \mathbf {x}, \mathbf{y})=\frac{1}{2}\left\|\mathbf{a}^{L}-\mathbf{y}\right\|_{2}^{2}=\frac{1}{2}\left\|\sigma\left(W^{L} \mathbf {a}^{L-1}+\mathbf {b}^{L}\right)-\mathbf {y}\right\|_{2}^{2}
\]

推导的两个公式如下:

\[\frac{\partial J(W, \mathbf{b}, \mathbf {x}, \mathbf{y})}{\partial W^{L}}=\left[\left(\mathbf {a}^{L}-\mathbf {y}\right) \odot \sigma^{\prime}\left(\mathbf {z}^{L}\right)\right]\left(\mathbf {a}^{L-1}\right)^{T}
\]
\[\frac{\partial J(W, \mathbf{b}, \mathbf {x}, \mathbf{y})}{\partial \mathbf {b}^{L}}=\left(\mathbf {a}^{L}-\mathbf {y}\right) \odot \sigma^{\prime}\left(\mathbf{z}^{L}\right)
\]

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:

\[\begin{equation}\frac{\partial z}{\partial \mathbf{y}_{\mathbf{1}}}=\left(\frac{\partial \mathbf{y}_{\mathbf{n}}}{\partial \mathbf{y}_{\mathbf{n}-\mathbf{1}}} \frac{\partial \mathbf{y}_{\mathbf{n}-\mathbf{1}}}{\partial \mathbf{y}_{\mathbf{n}-\mathbf{2}}} \ldots \frac{\partial \mathbf{y}_{\mathbf{2}}}{\partial \mathbf{y}_{\mathbf{1}}}\right)^{T} \frac{\partial z}{\partial \mathbf{y}_{\mathbf{n}}}\tag {1}\end{equation}
\]

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:

\[\begin{equation}\frac{\partial z}{\partial X}=\frac {\partial z}{\partial {\mathbf{y}}}a^T\tag {2}\end{equation}
\]

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)

\[W^L\rightarrow \mathbf{z}^L\rightarrow \mathbf{u}^L\rightarrow J
\]

其中$$J=\frac{1}{2}\Vert \mathbf{u}^L \Vert_2^2 $$

\[\mathbf{u}^L=\mathbf{a}^L-\mathbf{y}=\sigma (\mathbf{z}^L)-\mathbf{y}
\]
\[\mathbf{z}^L=W^L\mathbf{a}^{L-1}+\mathbf{b}^L
\]

由公式\((2)\)可得

\[\frac{\partial J}{\partial W^{L}}=\frac{\partial J}{\partial \mathbf {z}^{L}}(\mathbf a^{L-1})^T
\]

又有公式\((1)\)可得

\[\frac{\partial J}{\partial \mathbf {z}^{L}}=(\frac {\partial \mathbf{u}^L}{\partial \mathbf{z}^L})^T\frac {\partial J}{\partial \mathbf{u}^L}
\]

其中后半部分比较简单

\[\frac {\partial J}{\partial \mathbf{u}^L}=\mathbf {u}^L=\mathbf{a}^L-\mathbf{y}
\]

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:

\[\frac{\partial \mathbf{u}^{L}}{\partial \mathbf{z}^{L}}=\frac{\partial\left(\sigma\left(\mathbf{z}^{L}\right)-\mathbf{y}\right)}{\partial \mathbf{z}^{L}}=\left(\begin{array}{lllc}
\frac{\partial \sigma\left(z_{1}^{L}\right)}{\partial z_{1}^{L}} & 0 & \cdots & 0 \\
0 & \frac{\partial \sigma\left(z_{2}^{L}\right)}{\partial z_{2}^{L}} & \cdots & 0 \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
0 & 0 & \cdots & \frac{\partial \sigma\left(z_{M_{L}}^{L}\right)}{\partial z_{M_{L}}^{L}}
\end{array}\right)=\operatorname{diag}\left(\sigma^{\prime}\left(\mathbf{z}^{L}\right)\right)
\]

得到的矩阵为对称矩阵,带入到上式,结果为:

\[\frac{\partial J}{\partial \mathbf {z}^{L}}=\operatorname{diag}\left(\sigma^{\prime}\left(\mathbf{z}^{L}\right)\right)(\mathbf{a}^L-\mathbf{y})=\sigma^{\prime}\left(\mathbf{z}^{L}\right)\odot (\mathbf{a}^L-\mathbf{y})=(\mathbf{a}^L-\mathbf{y})\odot\sigma^{\prime}\left(\mathbf{z}^{L}\right)
\]

\[\frac{\partial J}{\partial W^{L}}=\left[\left(\mathbf {a}^{L}-\mathbf {y}\right) \odot \sigma^{\prime}\left(\mathbf {z}^{L}\right)\right]\left(\mathbf {a}^{L-1}\right)^{T}
\]

第二个式子推导就很简单,由公式\((1)\)可得

\[\frac {\partial J}{\partial \mathbf{b}^L}=(\frac {\partial \mathbf{z}^L}{\partial \mathbf{b}^L})^T\frac {\partial J}{\partial \mathbf{z}^L}
\]

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

\[\frac{\partial J}{\partial \mathbf {b}^{L}}=\left(\mathbf {a}^{L}-\mathbf {y}\right) \odot \sigma^{\prime}\left(\mathbf{z}^{L}\right)
\]

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

平方损失函数为例的BP的关键公式推导的更多相关文章

  1. LR的损失函数&为何使用-log损失函数而非平方损失函数

    https://blog.csdn.net/zrh_CSDN/article/details/80934278 Logistic回归的极大似然估计求解参数的推导: https://blog.csdn. ...

  2. BP神经网络的公式推导

    如果感觉自己看不懂,那就看看我博客的梯度下降法,博文最后的感知机也算最简单的BP神经网络吧,用的也是反馈(w,b):典型梯度下降法 BP网络的结构 BP网络的结构如下图所示,分为输入层(Input), ...

  3. gbdt xgboost 贼难理解!

    https://www.zybuluo.com/yxd/note/611571 https://zhuanlan.zhihu.com/p/29765582 gbdt 在看统计学习方法的时候 理解很吃力 ...

  4. 机器学习 —— 基础整理(七)前馈神经网络的BP反向传播算法步骤整理

    这里把按 [1] 推导的BP算法(Backpropagation)步骤整理一下.突然想整理这个的原因是知乎上看到了一个帅呆了的求矩阵微分的方法(也就是 [2]),不得不感叹作者的功力.[1] 中直接使 ...

  5. 如何高效的通过BP算法来训练CNN

    < Neural Networks Tricks of the Trade.2nd>这本书是收录了1998-2012年在NN上面的一些技巧.原理.算法性文章,对于初学者或者是正在学习NN的 ...

  6. BP神经网络

    秋招刚结束,这俩月没事就学习下斯坦福大学公开课,想学习一下深度学习(这年头不会DL,都不敢说自己懂机器学习),目前学到了神经网络部分,学习起来有点吃力,把之前学的BP(back-progagation ...

  7. BP神经网络求解异或问题(Python实现)

    反向传播算法(Back Propagation)分二步进行,即正向传播和反向传播.这两个过程简述如下: 1.正向传播 输入的样本从输入层经过隐单元一层一层进行处理,传向输出层:在逐层处理的过程中.在输 ...

  8. Python3 BP神经网络

    转自麦子学院 """ network.py ~~~~~~~~~~ A module to implement the stochastic gradient descen ...

  9. 从 0 开始机器学习 - 神经网络反向 BP 算法!

    最近一个月项目好忙,终于挤出时间把这篇 BP 算法基本思想写完了,公式的推导放到下一篇讲吧. 一.神经网络的代价函数 神经网络可以看做是复杂逻辑回归的组合,因此与其类似,我们训练神经网络也要定义代价函 ...

  10. DL基础补全计划(一)---线性回归及示例(Pytorch,平方损失)

    PS:要转载请注明出处,本人版权所有. PS: 这个只是基于<我自己>的理解, 如果和你的原则及想法相冲突,请谅解,勿喷. 前置说明   本文作为本人csdn blog的主站的备份.(Bl ...

随机推荐

  1. Linux CentOS7 安装 Qt 5.9.2 和 lableImg

    一.安装qt5.9.2 1.安装依赖 yum groupinstall "C Development Tools and Libraries"yum install libgl l ...

  2. docker 实现原理

    实现原理 docker虚拟化 的核心是需要解决两个问题,资源隔离与资源限制 虚拟机是通过硬件虚拟化技术,通过一个 hypervisor 层实现对资源的彻底隔离 容器则是通过操作系统级别的虚拟化技术,利 ...

  3. Vue案例——todolist

    最近在学习vue,实现todolist案例,实现效果如下: 该案例分为四个部分:header为输入框,body为列表,item是列表中的条目,footer为最下方的统计. 实现步骤: ①创建项目 vu ...

  4. jenkins 2.282+Publish over ssh 1.22版本发布日志不能实时显示

    问题解决了.作个记录,最新的 [Publish Over SSH]插件1.22版本,jenkins 282版本.1. ssh server 的Verbose output in console要开启2 ...

  5. zuoye(借鉴)

  6. [Oracle19C ASM管理] ASM的存储管理

    安装过程中,选择的OMF自动管理文件.可以看到存储放在ASM的根下. SQL> show parameter db_create_file_dest; NAME TYPE VALUE db_cr ...

  7. ES深分页

    一.背景 1.ES默认分页from+size 2.在大数据量和深度分页的时候,效率非常低 二.效率低原因 1.例如要查第501页的10条数据,from为5000,size为10 2.ES会查询并排序5 ...

  8. JavaScript的Array.flat()函数深入探讨

      JavaScript的Array.flat()函数深入探讨 在过去的几年中,已经将许多有用的功能添加到Javascript Array全局对象中,这些功能为开发人员在编写可用于数组的代码时提供了多 ...

  9. 深入Alertmanager 概念与配置介绍

    原文: https://www.cnblogs.com/gered/p/13496950.html 警报一直是整个监控系统中的重要组成部分,Prometheus监控系统中,采集与警报是分离的.警报规则 ...

  10. 使用Swagger和OpenAPI 3规范定义API接口并集成到SpringBoot

    1. OpenAPI 3 规范介绍及属性定义 参考官方定义:https://swagger.io/specification/ 2. 使用OpenAPI 3规范定义API接口 官方样例参考:https ...