反向传播

反向传播是一种用于训练人工神经网络的算法。通过调整权重以最小化预测误差，反向传播确保神经网络能够高效地学习。在本术语解释中，我们将说明什么是反向传播、其工作原理，以及训练神经网络所涉及的步骤。

什么是反向传播？

反向传播（Backpropagation，意为“误差的反向传播”）是一种用于训练人工神经网络的监督学习算法。它是神经网络根据上一轮（迭代）所得误差率来更新权重的方法。目标是最小化误差，直到网络的预测尽可能准确为止。

反向传播如何工作？

反向传播通过将误差反向传播到网络中来实现。以下是该过程的分步说明：

1. 前向传播

• 输入层： 输入数据被送入网络。
• 隐藏层： 数据通过一个或多个隐藏层进行处理，神经元对其应用权重和激活函数以生成输出。
• 输出层： 根据最后一个隐藏层的加权输入总和生成最终输出。

2. 损失计算

• 误差计算： 将网络输出与实际目标值进行比较，计算误差（损失）。常见的损失函数包括均方误差（MSE）和交叉熵损失。

3. 反向传播

• 梯度计算： 通过应用微积分中的链式法则，计算损失函数对每个权重的梯度。这一步涉及计算损失对每个权重的偏导数。
• 权重更新： 使用计算出的梯度来更新权重。学习率（超参数）决定权重更新的步长。更新规则通常为：
  w_new = w_old – η ∂L/∂w
  其中 η 为学习率，∂L/∂w 为损失 (L) 对权重 (w) 的梯度。

4. 迭代

• 重复： 步骤1至3会重复进行，直到达到预定的轮数（epoch）或损失达到可接受的阈值。

使用反向传播训练神经网络

训练神经网络通常包含以下关键步骤：

1. 数据准备

• 数据集： 收集并预处理数据集。
• 归一化： 对数据进行归一化处理，确保所有输入特征处于相同的尺度。

2. 模型初始化

• 结构定义： 确定神经网络的结构，包括层数和神经元数量。
• 权重初始化： 通常以较小的随机值初始化权重。

3. 训练循环

• 前向传播： 计算网络的输出。
• 损失计算： 计算预测值与实际输出之间的损失。
• 反向传播： 计算损失对每个权重的梯度。
• 权重更新： 使用梯度和学习率更新权重。
• 轮次（Epoch）： 多轮重复上述过程，以不断优化权重。

4. 评估

• 验证： 在独立的验证集上测试训练好的模型以评估其性能。
• 调整： 根据验证结果微调学习率、批量大小、轮数等超参数。

反向传播的基本原理

• 链式法则： 支持在多层网络中计算梯度的核心数学原理。
• 梯度下降： 用于最小化损失函数的优化算法。
• 学习率： 控制每次模型权重更新时，根据误差估计调整模型幅度的超参数。

参考资料：

• GeeksforGeeks – 神经网络中的反向传播
• 维基百科 – 反向传播
• Neptune.ai – 神经网络中反向传播算法的全面指南