反向传播算法(Backpropagation Algorithm)是训练人工神经网络中最为广泛使用的算法之一,特别是在多层前馈神经网络中。以下是反向传播算法的基本工作原理:
前向传播(Feedforward)阶段:
- 输入数据首先通过网络的输入层进入,经过一系列的隐藏层(如果有),最后到达输出层。
- 在每个神经元上,都会执行一个线性组合(加权求和),加上一个偏置项,然后通过一个激活函数(如Sigmoid、ReLU等)产生输出。这个过程沿着神经网络从前向后逐层进行,形成网络的预测输出。
计算损失(Loss Computation):
- 将模型的实际输出与真实的期望输出(标记值)进行比较,计算损失函数的值,例如均方误差(MSE)用于回归任务,交叉熵损失用于分类任务。
反向传播(Backward Propagation)阶段:
- 误差计算:从输出层开始,计算实际输出与目标输出之间的误差(也称为残差)。误差信号通常表示为损失函数相对于输出神经元激活值的偏导数。
- 梯度计算:利用链式法则(Chain Rule)将误差反向传播到网络中的每一层。对于每一个权重和偏置项,我们计算损失函数对该权重或偏置的梯度,这是损失函数关于该参数的局部变化率。
- 权重更新:一旦获得了所有权重和偏置的梯度,就可以使用优化算法(如梯度下降法)来更新这些参数。通常,我们会按照梯度的负方向调整权重,以减小损失函数的值,从而使模型在下一次迭代时更接近最优解。
迭代过程:
- 反复进行以上步骤,即每次通过前向传播计算预测结果,再通过反向传播计算梯度并更新参数,直到损失函数收敛到一定程度,或者达到预定的训练轮数。
简而言之,反向传播算法的核心是通过遍历网络从后往前逐层计算梯度,然后使用这些梯度信息调整网络的权重和偏置,以逐步优化模型的性能。这个过程是自动微分在神经网络训练中的应用,它让模型能够自我调整,以期拟合训练数据,并在新的未知数据上具备良好的泛化能力。