Модификации алгоритма обратного распространения ошибки

Применение алгоритма обратного распространения ошибки — один из известных методов, используемых для глубокого обучения нейронных сетей прямого распространения (такие сети ещё называют многослойными персептронами). Этот метод относят к методу обучения с учителем, поэтому требуется задавать в обучающих примерах целевые значения. В этой статье мы рассмотрим, что собой представляет метод обратного распространения ошибки, как он реализуется, каковы его плюсы и минусы.

Сегодня нейронные сети прямого распространения используются для решения множества сложных задач. Если говорить об обучении нейронных сетей методом обратного распространения, то тут пользуются двумя проходами по всем слоям нейросети: прямым и обратным. При выполнении прямого прохода осуществляется подача входного вектора на входной слой сети, после чего происходит распространение по нейронной сети от слоя к слою. В итоге должна осуществляться генерация набора выходных сигналов — именно он, по сути, является реакцией нейронной сети на этот входной образ. При прямом проходе все синаптические веса нейросети фиксированы. При обратном проходе все синаптические веса настраиваются согласно правил коррекции ошибок, когда фактический выход нейронной сети вычитается из желаемого, что приводит к формированию сигнала ошибки. Такой сигнал в дальнейшем распространяется по сети, причём направление распространения обратно направлению синаптических связей. Именно поэтому соответствующий метод и называют алгоритмом с обратно распространённой ошибкой. Синаптические веса настраивают с целью наибольшего приближения выходного сигнала нейронной сети к желаемому.

Общее описание алгоритма обратного распространения ошибки

К примеру, нам надо обучить нейронную сеть по аналогии с той, что представлена на картинке ниже. Естественно, задачу следует выполнить, применяя алгоритм обратного распространения ошибки:

В многослойных персептронах в роли активационной функции обычно применяют сигмоидальную активационную функция, в нашем случае — логистическую. Формула:

Причём «альфа» здесь означает параметр наклона сигмоидальной функции. Меняя его, мы получаем возможность строить функции с разной крутизной.

Сигмоид может сужать диапазон изменения таким образом, чтобы значение OUT лежало между нулем и единицей. Нейронные многослойные сети характеризуются более высокой представляющей мощностью, если сравнивать их с однослойными, но это утверждение справедливо лишь в случае нелинейности. Нужную нелинейность и обеспечивает сжимающая функция. Но на практике существует много функций, которые можно использовать. Говоря о работе алгоритма обратного распространения ошибки, скажем, что для этого нужно лишь, чтобы функция была везде дифференцируема, а данному требованию как раз и удовлетворяет сигмоид. У него есть и дополнительное преимущество — автоматический контроль усиления. Если речь идёт о слабых сигналах (OUT близко к нулю), то кривая «вход-выход» характеризуется сильным наклоном, дающим большое усиление. При увеличении сигнала усиление падает. В результате большие сигналы будут восприниматься сетью без насыщения, а слабые сигналы будут проходить по сети без чрезмерного ослабления.

Цель обучения сети

Цель обучения нейросети при использовании алгоритма обратного распространения ошибки — это такая подстройка весов нейросети, которая позволит при приложении некоторого множества входов получить требуемое множество выходов нейронов (выходных нейронов). Можно назвать эти множества входов и выходов векторами. В процессе обучения предполагается, что для любого входного вектора существует целевой вектор, парный входному и задающий требуемый выход. Эту пару называют обучающей. Работая с нейросетями, мы обучаем их на многих парах.

Также можно сказать, что алгоритм использует стохастический градиентный спуск и продвигается в многомерном пространстве весов в направлении антиградиента, причём цель — это достижение минимума функции ошибки.

При практическом применении метода обучение продолжают не до максимально точной настройки нейросети на минимум функции ошибки, а пока не будет достигнуто довольно точное его приближение. С одной стороны, это даёт возможность уменьшить количество итераций обучения, с другой — избежать переобучения нейронной сети.

Пошаговая реализация метода обратного распространения ошибки

Необходимо выполнить следующие действия:
1. Инициализировать синаптические веса случайными маленькими значениями.
2. Выбрать из обучающего множества очередную обучающую пару; подать на вход сети входной вектор.
3. Выполнить вычисление выходных значений нейронной сети.
4. Посчитать разность между выходом нейросети и требуемым выходом (речь идёт о целевом векторе обучающей пары).
5. Скорректировать веса сети в целях минимизации ошибки.
6. Повторять для каждого вектора обучающего множества шаги 2-5, пока ошибка обучения нейронной сети на всём множестве не достигнет уровня, который является приемлемым.

Виды обучения сети по методу обратного распространения

Сегодня существует много модификаций алгоритма обратного распространения ошибки. Возможно обучение не «по шагам» (выходная ошибка вычисляется, веса корректируются на каждом примере), а «по эпохам» в offline-режиме (изменения весовых коэффициентов происходит после подачи на вход нейросети всех примеров обучающего множества, а ошибка обучения neural сети усредняется по всем примерам).

Обучение «по эпохам» более устойчиво к выбросам и аномальным значениям целевой переменной благодаря усреднению ошибки по многим примерам. Зато в данном случае увеличивается вероятность «застревания» в локальных минимумах. При обучении «по шагам» такая вероятность меньше, ведь применение отдельных примеров создаёт «шум», «выталкивающий» алгоритм обратного распространения из ям градиентного рельефа.

Преимущества и недостатки метода

К плюсам можно отнести простоту в реализации и устойчивость к выбросам и аномалиям в данных, и это основные преимущества. Но есть и минусы:
• неопределенно долгий процесс обучения;
• вероятность «паралича сети» (при больших значениях рабочая точка функции активации попадает в область насыщения сигмоиды, а производная величина приближается к 0, в результате чего коррекции весов почти не происходят, а процесс обучения «замирает»;
• алгоритм уязвим к попаданию в локальные минимумы функции ошибки.

Значение метода обратного распространения

Появление алгоритма стало знаковым событием и положительно отразилось на развитии нейросетей, ведь он реализует эффективный с точки зрения вычислительных процессов способ обучения многослойного персептрона. В то же самое время, было бы неправильным сказать, что алгоритм предлагает наиболее оптимальное решение всех потенциальных проблем. Зато он действительно развеял пессимизм относительно машинного обучения многослойных машин, который воцарился после публикации в 1969 году работы американского учёного с фамилией Минский.

Источники:
— «Алгоритм обратного распространения ошибки»;
— «Back propagation algorithm».

Нейронные сети обучаются с помощью тех или иных модификаций градиентного спуска, а чтобы применять его, нужно уметь эффективно вычислять градиенты функции потерь по всем обучающим параметрам. Казалось бы, для какого-нибудь запутанного вычислительного графа это может быть очень сложной задачей, но на помощь спешит метод обратного распространения ошибки.

Открытие метода обратного распространения ошибки стало одним из наиболее значимых событий в области искусственного интеллекта. В актуальном виде он был предложен в 1986 году Дэвидом Э. Румельхартом, Джеффри Э. Хинтоном и Рональдом Дж. Вильямсом и независимо и одновременно красноярскими математиками С. И. Барцевым и В. А. Охониным. С тех пор для нахождения градиентов параметров нейронной сети используется метод вычисления производной сложной функции, и оценка градиентов параметров сети стала хоть сложной инженерной задачей, но уже не искусством. Несмотря на простоту используемого математического аппарата, появление этого метода привело к значительному скачку в развитии искусственных нейронных сетей.

Суть метода можно записать одной формулой, тривиально следующей из формулы производной сложной функции: если $f(x) = g_m(g_{m-1}(ldots (g_1(x)) ldots))$, то $frac{partial f}{partial x} = frac{partial g_m}{partial g_{m-1}}frac{partial g_{m-1}}{partial g_{m-2}}ldots frac{partial g_2}{partial g_1}frac{partial g_1}{partial x}$. Уже сейчас мы видим, что градиенты можно вычислять последовательно, в ходе одного обратного прохода, начиная с $frac{partial g_m}{partial g_{m-1}}$ и умножая каждый раз на частные производные предыдущего слоя.

Backpropagation в одномерном случае

В одномерном случае всё выглядит особенно просто. Пусть $w_0$ — переменная, по которой мы хотим продифференцировать, причём сложная функция имеет вид

$$f(w_0) = g_m(g_{m-1}(ldots g_1(w_0)ldots)),$$

где все $g_i$ скалярные. Тогда

$$f'(w_0) = g_m'(g_{m-1}(ldots g_1(w_0)ldots))cdot g’_{m-1}(g_{m-2}(ldots g_1(w_0)ldots))cdotldots cdot g’_1(w_0)$$

Суть этой формулы такова. Если мы уже совершили forward pass, то есть уже знаем

$$g_1(w_0), g_2(g_1(w_0)),ldots,g_{m-1}(ldots g_1(w_0)ldots),$$

то мы действуем следующим образом:

• берём производную $g_m$ в точке $g_{m-1}(ldots g_1(w_0)ldots)$;

• умножаем на производную $g_{m-1}$ в точке $g_{m-2}(ldots g_1(w_0)ldots)$;

• и так далее, пока не дойдём до производной $g_1$ в точке $w_0$.

Проиллюстрируем это на картинке, расписав по шагам дифференцирование по весам $w_i$ функции потерь логистической регрессии на одном объекте (то есть для батча размера 1):

Собирая все множители вместе, получаем:

$$frac{partial f}{partial w_0} = (-y)cdot e^{-y(w_0 + w_1x_1 + w_2x_2)}cdotfrac{-1}{1 + e^{-y(w_0 + w_1x_1 + w_2x_2)}}$$

$$frac{partial f}{partial w_1} = x_1cdot(-y)cdot e^{-y(w_0 + w_1x_1 + w_2x_2)}cdotfrac{-1}{1 + e^{-y(w_0 + w_1x_1 + w_2x_2)}}$$

$$frac{partial f}{partial w_2} = x_2cdot(-y)cdot e^{-y(w_0 + w_1x_1 + w_2x_2)}cdotfrac{-1}{1 + e^{-y(w_0 + w_1x_1 + w_2x_2)}}$$

Таким образом, мы видим, что сперва совершается forward pass для вычисления всех промежуточных значений (и да, все промежуточные представления нужно будет хранить в памяти), а потом запускается backward pass, на котором в один проход вычисляются все градиенты.

Почему же нельзя просто пойти и начать везде вычислять производные?

В главе, посвящённой матричным дифференцированиям, мы поднимаем вопрос о том, что вычислять частные производные по отдельности — это зло, лучше пользоваться матричными вычислениями. Но есть и ещё одна причина: даже и с матричной производной в принципе не всегда хочется иметь дело. Рассмотрим простой пример. Допустим, что $X^r$ и $X^{r+1}$ — два последовательных промежуточных представления $Ntimes M$ и $Ntimes K$, связанных функцией $X^{r+1} = f^{r+1}(X^r)$. Предположим, что мы как-то посчитали производную $frac{partialmathcal{L}}{partial X^{r+1}_{ij}}$ функции потерь $mathcal{L}$, тогда

$$frac{partialmathcal{L}}{partial X^{r}_{st}} = sum_{i,j}frac{partial f^{r+1}_{ij}}{partial X^{r}_{st}}frac{partialmathcal{L}}{partial X^{r+1}_{ij}}$$

И мы видим, что, хотя оба градиента $frac{partialmathcal{L}}{partial X_{ij}^{r+1}}$ и $frac{partialmathcal{L}}{partial X_{st}^{r}}$ являются просто матрицами, в ходе вычислений возникает «четырёхмерный кубик» $frac{partial f_{ij}^{r+1}}{partial X_{st}^{r}}$, даже хранить который весьма болезненно: уж больно много памяти он требует ($N^2MK$ по сравнению с безобидными $NM + NK$, требуемыми для хранения градиентов). Поэтому хочется промежуточные производные $frac{partial f^{r+1}}{partial X^{r}}$ рассматривать не как вычисляемые объекты $frac{partial f_{ij}^{r+1}}{partial X_{st}^{r}}$, а как преобразования, которые превращают $frac{partialmathcal{L}}{partial X_{ij}^{r+1}}$ в $frac{partialmathcal{L}}{partial X_{st}^{r}}$. Целью следующих глав будет именно это: понять, как преобразуется градиент в ходе error backpropagation при переходе через тот или иной слой.

  Вы спросите себя: надо ли мне сейчас пойти и прочитать главу учебника про матричное дифференцирование?

Встречный вопрос. Найдите производную функции по вектору $x$:

$$f(x) = x^TAx, Ain Mat_{n}{mathbb{R}}text{ — матрица размера }ntimes n$$

А как всё поменяется, если $A$ тоже зависит от $x$? Чему равен градиент функции, если $A$ является скаляром? Если вы готовы прямо сейчас взять ручку и бумагу и посчитать всё, то вам, вероятно, не надо читать про матричные дифференцирования. Но мы советуем всё-таки заглянуть в эту главу, если обозначения, которые мы будем дальше использовать, покажутся вам непонятными: единой нотации для матричных дифференцирований человечество пока, увы, не изобрело, и переводить с одной на другую не всегда легко.

Мы же сразу перейдём к интересующей нас вещи: к вычислению градиентов сложных функций.

Градиент сложной функции

Напомним, что формула производной сложной функции выглядит следующим образом:

$$left[D_{x_0} (color{#5002A7}{u} circ color{#4CB9C0}{v}) right](h) = color{#5002A7}{left[D_{v(x_0)} u right]} left( color{#4CB9C0}{left[D_{x_0} vright]} (h)right)$$

Теперь разберёмся с градиентами. Пусть $f(x) = g(h(x))$ – скалярная функция. Тогда

$$left[D_{x_0} f right] (x-x_0) = langlenabla_{x_0} f, x-x_0rangle.$$

С другой стороны,

$$left[D_{h(x_0)} g right] left(left[D_{x_0}h right] (x-x_0)right) = langlenabla_{h_{x_0}} g, left[D_{x_0} hright] (x-x_0)rangle = langleleft[D_{x_0} hright]^* nabla_{h(x_0)} g, x-x_0rangle.$$

То есть $color{#FFC100}{nabla_{x_0} f} = color{#348FEA}{left[D_{x_0} h right]}^* color{#FFC100}{nabla_{h(x_0)}}g$ — применение сопряжённого к $D_{x_0} h$ линейного отображения к вектору $nabla_{h(x_0)} g$.

Эта формула — сердце механизма обратного распространения ошибки. Она говорит следующее: если мы каким-то образом получили градиент функции потерь по переменным из некоторого промежуточного представления $X^k$ нейронной сети и при этом знаем, как преобразуется градиент при проходе через слой $f^k$ между $X^{k-1}$ и $X^k$ (то есть как выглядит сопряжённое к дифференциалу слоя между ними отображение), то мы сразу же находим градиент и по переменным из $X^{k-1}$:

Таким образом слой за слоем мы посчитаем градиенты по всем $X^i$ вплоть до самых первых слоёв.

Далее мы разберёмся, как именно преобразуются градиенты при переходе через некоторые распространённые слои.

Градиенты для типичных слоёв

Рассмотрим несколько важных примеров.

Примеры

1. $f(x) = u(v(x))$, где $x$ — вектор, а $v(x)$ – поэлементное применение $v$:

   $$vbegin{pmatrix}
   x_1
   vdots
   x_N
   end{pmatrix}
   = begin{pmatrix}
   v(x_1)
   vdots
   v(x_N)
   end{pmatrix}$$

   Тогда, как мы знаем,

   $$left[D_{x_0} fright] (h) = langlenabla_{x_0} f, hrangle = left[nabla_{x_0} fright]^T h.$$

   Следовательно,

   $$begin{multline*}
   left[D_{v(x_0)} uright] left( left[ D_{x_0} vright] (h)right) = left[nabla_{v(x_0)} uright]^T left(v'(x_0) odot hright) =[0.1cm]
   = sumlimits_i left[nabla_{v(x_0)} uright]_i v'(x_{0i})h_i
   = langleleft[nabla_{v(x_0)} uright] odot v'(x_0), hrangle.
   end{multline*},$$

   где $odot$ означает поэлементное перемножение. Окончательно получаем

   $$color{#348FEA}{nabla_{x_0} f = left[nabla_{v(x_0)}uright] odot v'(x_0) = v'(x_0) odot left[nabla_{v(x_0)} uright]}$$

   Отметим, что если $x$ и $h(x)$ — это просто векторы, то мы могли бы вычислять всё и по формуле $frac{partial f}{partial x_i} = sum_jbig(frac{partial z_j}{partial x_i}big)cdotbig(frac{partial h}{partial z_j}big)$. В этом случае матрица $big(frac{partial z_j}{partial x_i}big)$ была бы диагональной (так как $z_j$ зависит только от $x_j$: ведь $h$ берётся поэлементно), и матричное умножение приводило бы к тому же результату. Однако если $x$ и $h(x)$ — матрицы, то $big(frac{partial z_j}{partial x_i}big)$ представлялась бы уже «четырёхмерным кубиком», и работать с ним было бы ужасно неудобно.

2. $f(X) = g(XW)$, где $X$ и $W$ — матрицы. Как мы знаем,

   $$left[D_{X_0} f right] (X-X_0) = text{tr}, left(left[nabla_{X_0} fright]^T (X-X_0)right).$$

   Тогда

   $$begin{multline*}
   left[ D_{X_0W} g right] left(left[D_{X_0} left( ast Wright)right] (H)right) =
   left[ D_{X_0W} g right] left(HWright)=
   = text{tr}, left( left[nabla_{X_0W} g right]^T cdot (H) W right) =
   =
   text{tr} , left(W left[nabla_{X_0W} (g) right]^T cdot (H)right) = text{tr} , left( left[left[nabla_{X_0W} gright] W^Tright]^T (H)right)
   end{multline*}$$

   Здесь через $ast W$ мы обозначили отображение $Y hookrightarrow YW$, а в предпоследнем переходе использовалось следующее свойство следа:

   $$
   text{tr} , (A B C) = text{tr} , (C A B),
   $$

   где $A, B, C$ — произвольные матрицы подходящих размеров (то есть допускающие перемножение в обоих приведённых порядках). Следовательно, получаем

   $$color{#348FEA}{nabla_{X_0} f = left[nabla_{X_0W} (g) right] cdot W^T}$$

3. $f(W) = g(XW)$, где $W$ и $X$ — матрицы. Для приращения $H = W — W_0$ имеем

   $$
   left[D_{W_0} f right] (H) = text{tr} , left( left[nabla_{W_0} f right]^T (H)right)
   $$

   Тогда

   $$ begin{multline*}
   left[D_{XW_0} g right] left( left[D_{W_0} left(X astright) right] (H)right) = left[D_{XW_0} g right] left( XH right) =
   = text{tr} , left( left[nabla_{XW_0} g right]^T cdot X (H)right) =
   text{tr}, left(left[X^T left[nabla_{XW_0} g right] right]^T (H)right)
   end{multline*} $$

   Здесь через $X ast$ обозначено отображение $Y hookrightarrow XY$. Значит,

   $$color{#348FEA}{nabla_{X_0} f = X^T cdot left[nabla_{XW_0} (g)right]}$$

4. $f(X) = g(softmax(X))$, где $X$ — матрица $Ntimes K$, а $softmax$ — функция, которая вычисляется построчно, причём для каждой строки $x$

   $$softmax(x) = left(frac{e^{x_1}}{sum_te^{x_t}},ldots,frac{e^{x_K}}{sum_te^{x_t}}right)$$

   В этом примере нам будет удобно воспользоваться формализмом с частными производными. Сначала вычислим $frac{partial s_l}{partial x_j}$ для одной строки $x$, где через $s_l$ мы для краткости обозначим $softmax(x)_l = frac{e^{x_l}} {sum_te^{x_t}}$. Нетрудно проверить, что

   $$frac{partial s_l}{partial x_j} = begin{cases}
   s_j(1 — s_j), & j = l,
   -s_ls_j, & jne l
   end{cases}$$

   Так как softmax вычисляется независимо от каждой строчки, то

   $$frac{partial s_{rl}}{partial x_{ij}} = begin{cases}
   s_{ij}(1 — s_{ij}), & r=i, j = l,
   -s_{il}s_{ij}, & r = i, jne l,
   0, & rne i
   end{cases},$$

   где через $s_{rl}$ мы обозначили для краткости $softmax(X)_{rl}$.

   Теперь пусть $nabla_{rl} = nabla g = frac{partialmathcal{L}}{partial s_{rl}}$ (пришедший со следующего слоя, уже известный градиент). Тогда

   $$frac{partialmathcal{L}}{partial x_{ij}} = sum_{r,l}frac{partial s_{rl}}{partial x_{ij}} nabla_{rl}$$

   Так как $frac{partial s_{rl}}{partial x_{ij}} = 0$ при $rne i$, мы можем убрать суммирование по $r$:

   $$ldots = sum_{l}frac{partial s_{il}}{partial x_{ij}} nabla_{il} = -s_{i1}s_{ij}nabla_{i1} — ldots + s_{ij}(1 — s_{ij})nabla_{ij}-ldots — s_{iK}s_{ij}nabla_{iK} =$$

   $$= -s_{ij}sum_t s_{it}nabla_{it} + s_{ij}nabla_{ij}$$

   Таким образом, если мы хотим продифференцировать $f$ в какой-то конкретной точке $X_0$, то, смешивая математические обозначения с нотацией Python, мы можем записать:

   $$begin{multline*}
   color{#348FEA}{nabla_{X_0}f =}
   color{#348FEA}{= -softmax(X_0) odot text{sum}left(
   softmax(X_0)odotnabla_{softmax(X_0)}g, text{ axis = 1}
   right) +}
   color{#348FEA}{softmax(X_0)odot nabla_{softmax(X_0)}g}
   end{multline*}
   $$

Backpropagation в общем виде

Подытожим предыдущее обсуждение, описав алгоритм error backpropagation (алгоритм обратного распространения ошибки). Допустим, у нас есть текущие значения весов $W^i_0$ и мы хотим совершить шаг SGD по мини-батчу $X$. Мы должны сделать следующее:

1. Совершить forward pass, вычислив и запомнив все промежуточные представления $X = X^0, X^1, ldots, X^m = widehat{y}$.
2. Вычислить все градиенты с помощью backward pass.
3. С помощью полученных градиентов совершить шаг SGD.

Проиллюстрируем алгоритм на примере двуслойной нейронной сети со скалярным output’ом. Для простоты опустим свободные члены в линейных слоях.

Обучаемые параметры – матрицы $U$ и $W$. Как найти градиенты по ним в точке $U_0, W_0$?

$$nabla_{W_0}mathcal{L} = nabla_{W_0}{left({vphantom{frac12}mathcal{L}circ hcircleft[Wmapsto g(XU_0)Wright]}right)}=$$

$$=g(XU_0)^Tnabla_{g(XU_0)W_0}(mathcal{L}circ h) = underbrace{g(XU_0)^T}_{ktimes N}cdot
left[vphantom{frac12}underbrace{h’left(vphantom{int_0^1}g(XU_0)W_0right)}_{Ntimes 1}odot
underbrace{nabla_{hleft(vphantom{int_0^1}g(XU_0)W_0right)}mathcal{L}}_{Ntimes 1}right]$$

Итого матрица $ktimes 1$, как и $W_0$

$$nabla_{U_0}mathcal{L} = nabla_{U_0}left(vphantom{frac12}
mathcal{L}circ hcircleft[Ymapsto YW_0right]circ gcircleft[ Umapsto XUright]
right)=$$

$$=X^Tcdotnabla_{XU^0}left(vphantom{frac12}mathcal{L}circ hcirc [Ymapsto YW_0]circ gright) =$$

$$=X^Tcdotleft(vphantom{frac12}g'(XU_0)odot
nabla_{g(XU_0)}left[vphantom{in_0^1}mathcal{L}circ hcirc[Ymapsto YW_0right]
right)$$

$$=ldots = underset{Dtimes N}{X^T}cdotleft(vphantom{frac12}
underbrace{g'(XU_0)}_{Ntimes K}odot
underbrace{left[vphantom{int_0^1}left(
underbrace{h’left(vphantom{int_0^1}g(XU_0)W_0right)}_{Ntimes1}odotunderbrace{nabla_{h(vphantom{int_0^1}gleft(XU_0right)W_0)}mathcal{L}}_{Ntimes 1}
right)cdot underbrace{W^T}_{1times K}right]}_{Ntimes K}
right)$$

Итого $Dtimes K$, как и $U_0$

Схематически это можно представить следующим образом:

Backpropagation для двуслойной нейронной сети

Если вы не уследили за вычислениями в предыдущем примере, давайте более подробно разберём его чуть более конкретную версию (для $g = h = sigma$)Рассмотрим двуслойную нейронную сеть для классификации. Мы уже встречали ее ранее при рассмотрении линейно неразделимой выборки. Предсказания получаются следующим образом:

$$
widehat{y} = sigma(X^1 W^2) = sigmaBig(big(sigma(X^0 W^1 )big) W^2 Big).
$$

Пусть $W^1_0$ и $W^2_0$ — текущее приближение матриц весов. Мы хотим совершить шаг по градиенту функции потерь, и для этого мы должны вычислить её градиенты по $W^1$ и $W^2$ в точке $(W^1_0, W^2_0)$.

Прежде всего мы совершаем forward pass, в ходе которого мы должны запомнить все промежуточные представления: $X^1 = X^0 W^1_0$, $X^2 = sigma(X^0 W^1_0)$, $X^3 = sigma(X^0 W^1_0) W^2_0$, $X^4 = sigma(sigma(X^0 W^1_0) W^2_0) = widehat{y}$. Они понадобятся нам дальше.

Для полученных предсказаний вычисляется значение функции потерь:

$$
l = mathcal{L}(y, widehat{y}) = y log(widehat{y}) + (1-y) log(1-widehat{y}).
$$

Дальше мы шаг за шагом будем находить производные по переменным из всё более глубоких слоёв.

1. Градиент $mathcal{L}$ по предсказаниям имеет вид

   $$
   nabla_{widehat{y}}l = frac{y}{widehat{y}} — frac{1 — y}{1 — widehat{y}} = frac{y — widehat{y}}{widehat{y} (1 — widehat{y})},
   $$

   где, напомним, $ widehat{y} = sigma(X^3) = sigmaBig(big(sigma(X^0 W^1_0 )big) W^2_0 Big)$ (обратите внимание на то, что $W^1_0$ и $W^2_0$ тут именно те, из которых мы делаем градиентный шаг).

2. Следующий слой — поэлементное взятие $sigma$. Как мы помним, при переходе через него градиент поэлементно умножается на производную $sigma$, в которую подставлено предыдущее промежуточное представление:

   $$
   nabla_{X^3}l = sigma'(X^3)odotnabla_{widehat{y}}l = sigma(X^3)left( 1 — sigma(X^3) right) odot frac{y — widehat{y}}{widehat{y} (1 — widehat{y})} =
   $$

   $$
   = sigma(X^3)left( 1 — sigma(X^3) right) odot frac{y — sigma(X^3)}{sigma(X^3) (1 — sigma(X^3))} =
   y — sigma(X^3)
   $$

3. Следующий слой — умножение на $W^2_0$. В этот момент мы найдём градиент как по $W^2$, так и по $X^2$. При переходе через умножение на матрицу градиент, как мы помним, умножается с той же стороны на транспонированную матрицу, а значит:

   $$
   color{blue}{nabla_{W^2_0}l} = (X^2)^Tcdot nabla_{X^3}l = (X^2)^Tcdot(y — sigma(X^3)) =
   $$

   $$
   = color{blue}{left( sigma(X^0W^1_0) right)^T cdot (y — sigma(sigma(X^0W^1_0)W^2_0))}
   $$

   Аналогичным образом

   $$
   nabla_{X^2}l = nabla_{X^3}lcdot (W^2_0)^T = (y — sigma(X^3))cdot (W^2_0)^T =
   $$

   $$
   = (y — sigma(X^2W_0^2))cdot (W^2_0)^T
   $$

4. Следующий слой — снова взятие $sigma$.

   $$
   nabla_{X^1}l = sigma'(X^1)odotnabla_{X^2}l = sigma(X^1)left( 1 — sigma(X^1) right) odot left( (y — sigma(X^2W_0^2))cdot (W^2_0)^T right) =
   $$

   $$
   = sigma(X^1)left( 1 — sigma(X^1) right) odotleft( (y — sigma(sigma(X^1)W_0^2))cdot (W^2_0)^T right)
   $$

5. Наконец, последний слой — это умножение $X^0$ на $W^1_0$. Тут мы дифференцируем только по $W^1$:

   $$
   color{blue}{nabla_{W^1_0}l} = (X^0)^Tcdot nabla_{X^1}l = (X^0)^Tcdot big( sigma(X^1) left( 1 — sigma(X^1) right) odot (y — sigma(sigma(X^1)W_0^2))cdot (W^2_0)^Tbig) =
   $$

   $$
   = color{blue}{(X^0)^Tcdotbig(sigma(X^0W^1_0)left( 1 — sigma(X^0W^1_0) right) odot (y — sigma(sigma(X^0W^1_0)W_0^2))cdot (W^2_0)^Tbig) }
   $$

Итоговые формулы для градиентов получились страшноватыми, но они были получены друг из друга итеративно с помощью очень простых операций: матричного и поэлементного умножения, в которые порой подставлялись значения заранее вычисленных промежуточных представлений.

Автоматизация и autograd

Итак, чтобы нейросеть обучалась, достаточно для любого слоя $f^k: X^{k-1}mapsto X^k$ с параметрами $W^k$ уметь:

• превращать $nabla_{X^k_0}mathcal{L}$ в $nabla_{X^{k-1}_0}mathcal{L}$ (градиент по выходу в градиент по входу);
• считать градиент по его параметрам $nabla_{W^k_0}mathcal{L}$.

При этом слою совершенно не надо знать, что происходит вокруг. То есть слой действительно может быть запрограммирован как отдельная сущность, умеющая внутри себя делать forward pass и backward pass, после чего слои механически, как кубики в конструкторе, собираются в большую сеть, которая сможет работать как одно целое.

Более того, во многих случаях авторы библиотек для глубинного обучения уже о вас позаботились и создали средства для автоматического дифференцирования выражений (autograd). Поэтому, программируя нейросеть, вы почти всегда можете думать только о forward-проходе, прямом преобразовании данных, предоставив библиотеке дифференцировать всё самостоятельно. Это делает код нейросетей весьма понятным и выразительным (да, в реальности он тоже бывает большим и страшным, но сравните на досуге код какой-нибудь разухабистой нейросети и код градиентного бустинга на решающих деревьях и почувствуйте разницу).

Но это лишь начало

Метод обратного распространения ошибки позволяет удобно посчитать градиенты, но дальше с ними что-то надо делать, и старый добрый SGD едва ли справится с обучением современной сетки. Так что же делать? О некоторых приёмах мы расскажем в следующей главе.

This article is about the computer algorithm. For the biological process, see neural backpropagation.

Backpropagation can also refer to the way the result of a playout is propagated up the search tree in Monte Carlo tree search.

In machine learning, backpropagation (backprop,^[1] BP) is a widely used algorithm for training feedforward artificial neural networks. Generalizations of backpropagation exist for other artificial neural networks (ANNs), and for functions generally. These classes of algorithms are all referred to generically as «backpropagation».^[2] In fitting a neural network, backpropagation computes the gradient of the loss function with respect to the weights of the network for a single input–output example, and does so efficiently, unlike a naive direct computation of the gradient with respect to each weight individually. This efficiency makes it feasible to use gradient methods for training multilayer networks, updating weights to minimize loss; gradient descent, or variants such as stochastic gradient descent, are commonly used. The backpropagation algorithm works by computing the gradient of the loss function with respect to each weight by the chain rule, computing the gradient one layer at a time, iterating backward from the last layer to avoid redundant calculations of intermediate terms in the chain rule; this is an example of dynamic programming.^[3]

The term backpropagation strictly refers only to the algorithm for computing the gradient, not how the gradient is used; however, the term is often used loosely to refer to the entire learning algorithm, including how the gradient is used, such as by stochastic gradient descent.^[4] Backpropagation generalizes the gradient computation in the delta rule, which is the single-layer version of backpropagation, and is in turn generalized by automatic differentiation, where backpropagation is a special case of reverse accumulation (or «reverse mode»).^[5] The term backpropagation and its general use in neural networks was announced in Rumelhart, Hinton & Williams (1986a), then elaborated and popularized in Rumelhart, Hinton & Williams (1986b), but the technique was independently rediscovered many times, and had many predecessors dating to the 1960s; see § History.^[6] A modern overview is given in the deep learning textbook by Goodfellow, Bengio & Courville (2016).^[7]

Overview[edit]

Backpropagation computes the gradient in weight space of a feedforward neural network, with respect to a loss function. Denote:

• : input (vector of features)
• : target output

  For classification, output will be a vector of class probabilities (e.g., , and target output is a specific class, encoded by the one-hot/dummy variable (e.g., ).

• : loss function or «cost function»^[a]

  For classification, this is usually cross entropy (XC, log loss), while for regression it is usually squared error loss (SEL).

• : the number of layers
• : the weights between layer and , where is the weight between the -th node in layer and the -th node in layer ^[b]
• : activation functions at layer

  For classification the last layer is usually the logistic function for binary classification, and softmax (softargmax) for multi-class classification, while for the hidden layers this was traditionally a sigmoid function (logistic function or others) on each node (coordinate), but today is more varied, with rectifier (ramp, ReLU) being common.

In the derivation of backpropagation, other intermediate quantities are used; they are introduced as needed below. Bias terms are not treated specially, as they correspond to a weight with a fixed input of 1. For the purpose of backpropagation, the specific loss function and activation functions do not matter, as long as they and their derivatives can be evaluated efficiently. Traditional activation functions include but are not limited to sigmoid, tanh, and ReLU. Since, swish,^[8] mish,^[9] and other activation functions were proposed as well.

The overall network is a combination of function composition and matrix multiplication:

For a training set there will be a set of input–output pairs, . For each input–output pair in the training set, the loss of the model on that pair is the cost of the difference between the predicted output and the target output :

Note the distinction: during model evaluation, the weights are fixed, while the inputs vary (and the target output may be unknown), and the network ends with the output layer (it does not include the loss function). During model training, the input–output pair is fixed, while the weights vary, and the network ends with the loss function.

Backpropagation computes the gradient for a fixed input–output pair , where the weights can vary. Each individual component of the gradient, can be computed by the chain rule; however, doing this separately for each weight is inefficient. Backpropagation efficiently computes the gradient by avoiding duplicate calculations and not computing unnecessary intermediate values, by computing the gradient of each layer – specifically, the gradient of the weighted input of each layer, denoted by – from back to front.

Informally, the key point is that since the only way a weight in affects the loss is through its effect on the next layer, and it does so linearly, are the only data you need to compute the gradients of the weights at layer , and then you can compute the previous layer and repeat recursively. This avoids inefficiency in two ways. Firstly, it avoids duplication because when computing the gradient at layer , you do not need to recompute all the derivatives on later layers each time. Secondly, it avoids unnecessary intermediate calculations because at each stage it directly computes the gradient of the weights with respect to the ultimate output (the loss), rather than unnecessarily computing the derivatives of the values of hidden layers with respect to changes in weights .

Backpropagation can be expressed for simple feedforward networks in terms of matrix multiplication, or more generally in terms of the adjoint graph.

Matrix multiplication[edit]

For the basic case of a feedforward network, where nodes in each layer are connected only to nodes in the immediate next layer (without skipping any layers), and there is a loss function that computes a scalar loss for the final output, backpropagation can be understood simply by matrix multiplication.^[c] Essentially, backpropagation evaluates the expression for the derivative of the cost function as a product of derivatives between each layer from right to left – «backwards» – with the gradient of the weights between each layer being a simple modification of the partial products (the «backwards propagated error»).

Given an input–output pair , the loss is:

To compute this, one starts with the input and works forward; denote the weighted input of each hidden layer as and the output of hidden layer as the activation . For backpropagation, the activation as well as the derivatives (evaluated at ) must be cached for use during the backwards pass.

The derivative of the loss in terms of the inputs is given by the chain rule; note that each term is a total derivative, evaluated at the value of the network (at each node) on the input :

where is a Hadamard product, that is an element-wise product.

These terms are: the derivative of the loss function;^[d] the derivatives of the activation functions;^[e] and the matrices of weights:^[f]

The gradient is the transpose of the derivative of the output in terms of the input, so the matrices are transposed and the order of multiplication is reversed, but the entries are the same:

Backpropagation then consists essentially of evaluating this expression from right to left (equivalently, multiplying the previous expression for the derivative from left to right), computing the gradient at each layer on the way; there is an added step, because the gradient of the weights isn’t just a subexpression: there’s an extra multiplication.

Introducing the auxiliary quantity for the partial products (multiplying from right to left), interpreted as the «error at level » and defined as the gradient of the input values at level :

Note that is a vector, of length equal to the number of nodes in level ; each component is interpreted as the «cost attributable to (the value of) that node».

The gradient of the weights in layer is then:

The factor of is because the weights between level and affect level proportionally to the inputs (activations): the inputs are fixed, the weights vary.

The can easily be computed recursively, going from right to left, as:

The gradients of the weights can thus be computed using a few matrix multiplications for each level; this is backpropagation.

Compared with naively computing forwards (using the for illustration):

there are two key differences with backpropagation:

1. Computing in terms of avoids the obvious duplicate multiplication of layers and beyond.
2. Multiplying starting from – propagating the error backwards – means that each step simply multiplies a vector () by the matrices of weights and derivatives of activations . By contrast, multiplying forwards, starting from the changes at an earlier layer, means that each multiplication multiplies a matrix by a matrix. This is much more expensive, and corresponds to tracking every possible path of a change in one layer forward to changes in the layer (for multiplying by , with additional multiplications for the derivatives of the activations), which unnecessarily computes the intermediate quantities of how weight changes affect the values of hidden nodes.

Adjoint graph[edit]

This section needs expansion. You can help by adding to it. (November 2019)

For more general graphs, and other advanced variations, backpropagation can be understood in terms of automatic differentiation, where backpropagation is a special case of reverse accumulation (or «reverse mode»).^[5]

Intuition[edit]

Motivation[edit]

The goal of any supervised learning algorithm is to find a function that best maps a set of inputs to their correct output. The motivation for backpropagation is to train a multi-layered neural network such that it can learn the appropriate internal representations to allow it to learn any arbitrary mapping of input to output.^[10]

Learning as an optimization problem[edit]

To understand the mathematical derivation of the backpropagation algorithm, it helps to first develop some intuition about the relationship between the actual output of a neuron and the correct output for a particular training example. Consider a simple neural network with two input units, one output unit and no hidden units, and in which each neuron uses a linear output (unlike most work on neural networks, in which mapping from inputs to outputs is non-linear)^[g] that is the weighted sum of its input.

Initially, before training, the weights will be set randomly. Then the neuron learns from training examples, which in this case consist of a set of tuples where and are the inputs to the network and t is the correct output (the output the network should produce given those inputs, when it has been trained). The initial network, given and , will compute an output y that likely differs from t (given random weights). A loss function is used for measuring the discrepancy between the target output t and the computed output y. For regression analysis problems the squared error can be used as a loss function, for classification the categorical crossentropy can be used.

As an example consider a regression problem using the square error as a loss:

where E is the discrepancy or error.

Consider the network on a single training case: . Thus, the input and are 1 and 1 respectively and the correct output, t is 0. Now if the relation is plotted between the network’s output y on the horizontal axis and the error E on the vertical axis, the result is a parabola. The minimum of the parabola corresponds to the output y which minimizes the error E. For a single training case, the minimum also touches the horizontal axis, which means the error will be zero and the network can produce an output y that exactly matches the target output t. Therefore, the problem of mapping inputs to outputs can be reduced to an optimization problem of finding a function that will produce the minimal error.

However, the output of a neuron depends on the weighted sum of all its inputs:

where and are the weights on the connection from the input units to the output unit. Therefore, the error also depends on the incoming weights to the neuron, which is ultimately what needs to be changed in the network to enable learning.

In this example, upon injecting the training data , the loss function becomes

Then, the loss function takes the form of a parabolic cylinder with its base directed along . Since all sets of weights that satisfy minimize the loss function, in this case additional constraints are required to converge to a unique solution. Additional constraints could either be generated by setting specific conditions to the weights, or by injecting additional training data.

One commonly used algorithm to find the set of weights that minimizes the error is gradient descent. By backpropagation, the steepest descent direction is calculated of the loss function versus the present synaptic weights. Then, the weights can be modified along the steepest descent direction, and the error is minimized in an efficient way.

Derivation[edit]

The gradient descent method involves calculating the derivative of the loss function with respect to the weights of the network. This is normally done using backpropagation. Assuming one output neuron,^[h] the squared error function is

where

is the loss for the output and target value ,

is the target output for a training sample, and

is the actual output of the output neuron.

For each neuron , its output is defined as

where the activation function is non-linear and differentiable over the activation region (the ReLU is not differentiable at one point). A historically used activation function is the logistic function:

which has a convenient derivative of:

The input to a neuron is the weighted sum of outputs of previous neurons. If the neuron is in the first layer after the input layer, the of the input layer are simply the inputs to the network. The number of input units to the neuron is . The variable denotes the weight between neuron of the previous layer and neuron of the current layer.

Finding the derivative of the error[edit]

Calculating the partial derivative of the error with respect to a weight is done using the chain rule twice:

(Eq. 1)

In the last factor of the right-hand side of the above, only one term in the sum depends on , so that

(Eq. 2)

If the neuron is in the first layer after the input layer, is just .

The derivative of the output of neuron with respect to its input is simply the partial derivative of the activation function:

(Eq. 3)

which for the logistic activation function

This is the reason why backpropagation requires the activation function to be differentiable. (Nevertheless, the ReLU activation function, which is non-differentiable at 0, has become quite popular, e.g. in AlexNet)

The first factor is straightforward to evaluate if the neuron is in the output layer, because then and

(Eq. 4)

If half of the square error is used as loss function we can rewrite it as

However, if is in an arbitrary inner layer of the network, finding the derivative with respect to is less obvious.

Considering as a function with the inputs being all neurons receiving input from neuron ,

and taking the total derivative with respect to , a recursive expression for the derivative is obtained:

(Eq. 5)

Therefore, the derivative with respect to can be calculated if all the derivatives with respect to the outputs of the next layer – the ones closer to the output neuron – are known. [Note, if any of the neurons in set were not connected to neuron , they would be independent of and the corresponding partial derivative under the summation would vanish to 0.]

Substituting Eq. 2, Eq. 3 Eq.4 and Eq. 5 in Eq. 1 we obtain:

with

if is the logistic function, and the error is the square error:

To update the weight using gradient descent, one must choose a learning rate, . The change in weight needs to reflect the impact on of an increase or decrease in . If , an increase in increases ; conversely, if , an increase in decreases . The new is added to the old weight, and the product of the learning rate and the gradient, multiplied by guarantees that changes in a way that always decreases . In other words, in the equation immediately below, always changes in such a way that is decreased:

Second-order gradient descent[edit]

Using a Hessian matrix of second-order derivatives of the error function, the Levenberg-Marquardt algorithm often converges faster than first-order gradient descent, especially when the topology of the error function is complicated.^[11][12] It may also find solutions in smaller node counts for which other methods might not converge.^[12] The Hessian can be approximated by the Fisher information matrix.^[13]

Loss function[edit]

The loss function is a function that maps values of one or more variables onto a real number intuitively representing some «cost» associated with those values. For backpropagation, the loss function calculates the difference between the network output and its expected output, after a training example has propagated through the network.

Assumptions[edit]

The mathematical expression of the loss function must fulfill two conditions in order for it to be possibly used in backpropagation.^[14] The first is that it can be written as an average over error functions , for individual training examples, . The reason for this assumption is that the backpropagation algorithm calculates the gradient of the error function for a single training example, which needs to be generalized to the overall error function. The second assumption is that it can be written as a function of the outputs from the neural network.

Example loss function[edit]

Let be vectors in .

Select an error function measuring the difference between two outputs. The standard choice is the square of the Euclidean distance between the vectors and :

The error function over training examples can then be written as an average of losses over individual examples:

Limitations[edit]

• Gradient descent with backpropagation is not guaranteed to find the global minimum of the error function, but only a local minimum; also, it has trouble crossing plateaus in the error function landscape. This issue, caused by the non-convexity of error functions in neural networks, was long thought to be a major drawback, but Yann LeCun et al. argue that in many practical problems, it is not.^[15]
• Backpropagation learning does not require normalization of input vectors; however, normalization could improve performance.^[16]
• Backpropagation requires the derivatives of activation functions to be known at network design time.

History[edit]

The term backpropagation and its general use in neural networks was announced in Rumelhart, Hinton & Williams (1986a), then elaborated and popularized in Rumelhart, Hinton & Williams (1986b), but the technique was independently rediscovered many times, and had many predecessors dating to the 1960s.^[6][17]

The basics of continuous backpropagation were derived in the context of control theory by Henry J. Kelley in 1960,^[18] and by Arthur E. Bryson in 1961.^{[19][20][21][22][23]} They used principles of dynamic programming. In 1962, Stuart Dreyfus published a simpler derivation based only on the chain rule.^[24] Bryson and Ho described it as a multi-stage dynamic system optimization method in 1969.^[25][26] Backpropagation was derived by multiple researchers in the early 60’s^[22] and implemented to run on computers as early as 1970 by Seppo Linnainmaa.^[27][28][29] Paul Werbos was first in the US to propose that it could be used for neural nets after analyzing it in depth in his 1974 dissertation.^[30] While not applied to neural networks, in 1970 Linnainmaa published the general method for automatic differentiation (AD).^[28][29] Although very controversial, some scientists believe this was actually the first step toward developing a back-propagation algorithm.^{[22][23][27][31]} In 1973 Dreyfus adapts parameters of controllers in proportion to error gradients.^[32] In 1974 Werbos mentioned the possibility of applying this principle to artificial neural networks,^[30] and in 1982 he applied Linnainmaa’s AD method to non-linear functions.^[23][33]

Later the Werbos method was rediscovered and described in 1985 by Parker,^[34][35] and in 1986 by Rumelhart, Hinton and Williams.^[17][35][36] Rumelhart, Hinton and Williams showed experimentally that this method can generate useful internal representations of incoming data in hidden layers of neural networks.^[10][37][38] Yann LeCun proposed the modern form of the back-propagation learning algorithm for neural networks in his PhD thesis in 1987. In 1993, Eric Wan won an international pattern recognition contest through backpropagation.^[22][39]

During the 2000s it fell out of favour^{[citation needed]}, but returned in the 2010s, benefitting from cheap, powerful GPU-based computing systems. This has been especially so in speech recognition, machine vision, natural language processing, and language structure learning research (in which it has been used to explain a variety of phenomena related to first^[40] and second language learning.^[41]).

Error backpropagation has been suggested to explain human brain ERP components like the N400 and P600.^[42]

See also[edit]

• Artificial neural network
• Neural circuit
• Catastrophic interference
• Ensemble learning
• AdaBoost
• Overfitting
• Neural backpropagation
• Backpropagation through time

Notes[edit]

References[edit]

Further reading[edit]

• Goodfellow, Ian; Bengio, Yoshua; Courville, Aaron (2016). «6.5 Back-Propagation and Other Differentiation Algorithms». Deep Learning. MIT Press. pp. 200–220. ISBN 9780262035613.
• Nielsen, Michael A. (2015). «How the backpropagation algorithm works». Neural Networks and Deep Learning. Determination Press.
• McCaffrey, James (October 2012). «Neural Network Back-Propagation for Programmers». MSDN Magazine.
• Rojas, Raúl (1996). «The Backpropagation Algorithm» (PDF). Neural Networks : A Systematic Introduction. Berlin: Springer. ISBN 3-540-60505-3.

External links[edit]

• Backpropagation neural network tutorial at the Wikiversity
• Bernacki, Mariusz; Włodarczyk, Przemysław (2004). «Principles of training multi-layer neural network using backpropagation».
• Karpathy, Andrej (2016). «Lecture 4: Backpropagation, Neural Networks 1». CS231n. Stanford University. Archived from the original on 2021-12-12 – via YouTube.
• «What is Backpropagation Really Doing?». 3Blue1Brown. November 3, 2017. Archived from the original on 2021-12-12 – via YouTube.
• Putta, Sudeep Raja (2022). «Yet Another Derivation of Backpropagation in Matrix Form».

This article is about the computer algorithm. For the biological process, see neural backpropagation.

Backpropagation can also refer to the way the result of a playout is propagated up the search tree in Monte Carlo tree search.

In machine learning, backpropagation (backprop,^[1] BP) is a widely used algorithm for training feedforward artificial neural networks. Generalizations of backpropagation exist for other artificial neural networks (ANNs), and for functions generally. These classes of algorithms are all referred to generically as «backpropagation».^[2] In fitting a neural network, backpropagation computes the gradient of the loss function with respect to the weights of the network for a single input–output example, and does so efficiently, unlike a naive direct computation of the gradient with respect to each weight individually. This efficiency makes it feasible to use gradient methods for training multilayer networks, updating weights to minimize loss; gradient descent, or variants such as stochastic gradient descent, are commonly used. The backpropagation algorithm works by computing the gradient of the loss function with respect to each weight by the chain rule, computing the gradient one layer at a time, iterating backward from the last layer to avoid redundant calculations of intermediate terms in the chain rule; this is an example of dynamic programming.^[3]

The term backpropagation strictly refers only to the algorithm for computing the gradient, not how the gradient is used; however, the term is often used loosely to refer to the entire learning algorithm, including how the gradient is used, such as by stochastic gradient descent.^[4] Backpropagation generalizes the gradient computation in the delta rule, which is the single-layer version of backpropagation, and is in turn generalized by automatic differentiation, where backpropagation is a special case of reverse accumulation (or «reverse mode»).^[5] The term backpropagation and its general use in neural networks was announced in Rumelhart, Hinton & Williams (1986a), then elaborated and popularized in Rumelhart, Hinton & Williams (1986b), but the technique was independently rediscovered many times, and had many predecessors dating to the 1960s; see § History.^[6] A modern overview is given in the deep learning textbook by Goodfellow, Bengio & Courville (2016).^[7]

Overview[edit]

Backpropagation computes the gradient in weight space of a feedforward neural network, with respect to a loss function. Denote:

• : input (vector of features)
• : target output

  For classification, output will be a vector of class probabilities (e.g., , and target output is a specific class, encoded by the one-hot/dummy variable (e.g., ).

• : loss function or «cost function»^[a]

  For classification, this is usually cross entropy (XC, log loss), while for regression it is usually squared error loss (SEL).

• : the number of layers
• : the weights between layer and , where is the weight between the -th node in layer and the -th node in layer ^[b]
• : activation functions at layer

  For classification the last layer is usually the logistic function for binary classification, and softmax (softargmax) for multi-class classification, while for the hidden layers this was traditionally a sigmoid function (logistic function or others) on each node (coordinate), but today is more varied, with rectifier (ramp, ReLU) being common.

In the derivation of backpropagation, other intermediate quantities are used; they are introduced as needed below. Bias terms are not treated specially, as they correspond to a weight with a fixed input of 1. For the purpose of backpropagation, the specific loss function and activation functions do not matter, as long as they and their derivatives can be evaluated efficiently. Traditional activation functions include but are not limited to sigmoid, tanh, and ReLU. Since, swish,^[8] mish,^[9] and other activation functions were proposed as well.

The overall network is a combination of function composition and matrix multiplication:

For a training set there will be a set of input–output pairs, . For each input–output pair in the training set, the loss of the model on that pair is the cost of the difference between the predicted output and the target output :

Note the distinction: during model evaluation, the weights are fixed, while the inputs vary (and the target output may be unknown), and the network ends with the output layer (it does not include the loss function). During model training, the input–output pair is fixed, while the weights vary, and the network ends with the loss function.

Backpropagation computes the gradient for a fixed input–output pair , where the weights can vary. Each individual component of the gradient, can be computed by the chain rule; however, doing this separately for each weight is inefficient. Backpropagation efficiently computes the gradient by avoiding duplicate calculations and not computing unnecessary intermediate values, by computing the gradient of each layer – specifically, the gradient of the weighted input of each layer, denoted by – from back to front.

Informally, the key point is that since the only way a weight in affects the loss is through its effect on the next layer, and it does so linearly, are the only data you need to compute the gradients of the weights at layer , and then you can compute the previous layer and repeat recursively. This avoids inefficiency in two ways. Firstly, it avoids duplication because when computing the gradient at layer , you do not need to recompute all the derivatives on later layers each time. Secondly, it avoids unnecessary intermediate calculations because at each stage it directly computes the gradient of the weights with respect to the ultimate output (the loss), rather than unnecessarily computing the derivatives of the values of hidden layers with respect to changes in weights .

Backpropagation can be expressed for simple feedforward networks in terms of matrix multiplication, or more generally in terms of the adjoint graph.

Matrix multiplication[edit]

For the basic case of a feedforward network, where nodes in each layer are connected only to nodes in the immediate next layer (without skipping any layers), and there is a loss function that computes a scalar loss for the final output, backpropagation can be understood simply by matrix multiplication.^[c] Essentially, backpropagation evaluates the expression for the derivative of the cost function as a product of derivatives between each layer from right to left – «backwards» – with the gradient of the weights between each layer being a simple modification of the partial products (the «backwards propagated error»).

Given an input–output pair , the loss is:

To compute this, one starts with the input and works forward; denote the weighted input of each hidden layer as and the output of hidden layer as the activation . For backpropagation, the activation as well as the derivatives (evaluated at ) must be cached for use during the backwards pass.

The derivative of the loss in terms of the inputs is given by the chain rule; note that each term is a total derivative, evaluated at the value of the network (at each node) on the input :

where is a Hadamard product, that is an element-wise product.

These terms are: the derivative of the loss function;^[d] the derivatives of the activation functions;^[e] and the matrices of weights:^[f]

The gradient is the transpose of the derivative of the output in terms of the input, so the matrices are transposed and the order of multiplication is reversed, but the entries are the same:

Backpropagation then consists essentially of evaluating this expression from right to left (equivalently, multiplying the previous expression for the derivative from left to right), computing the gradient at each layer on the way; there is an added step, because the gradient of the weights isn’t just a subexpression: there’s an extra multiplication.

Introducing the auxiliary quantity for the partial products (multiplying from right to left), interpreted as the «error at level » and defined as the gradient of the input values at level :

Note that is a vector, of length equal to the number of nodes in level ; each component is interpreted as the «cost attributable to (the value of) that node».

The gradient of the weights in layer is then:

The factor of is because the weights between level and affect level proportionally to the inputs (activations): the inputs are fixed, the weights vary.

The can easily be computed recursively, going from right to left, as:

The gradients of the weights can thus be computed using a few matrix multiplications for each level; this is backpropagation.

Compared with naively computing forwards (using the for illustration):

there are two key differences with backpropagation:

1. Computing in terms of avoids the obvious duplicate multiplication of layers and beyond.
2. Multiplying starting from – propagating the error backwards – means that each step simply multiplies a vector () by the matrices of weights and derivatives of activations . By contrast, multiplying forwards, starting from the changes at an earlier layer, means that each multiplication multiplies a matrix by a matrix. This is much more expensive, and corresponds to tracking every possible path of a change in one layer forward to changes in the layer (for multiplying by , with additional multiplications for the derivatives of the activations), which unnecessarily computes the intermediate quantities of how weight changes affect the values of hidden nodes.

Adjoint graph[edit]

This section needs expansion. You can help by adding to it. (November 2019)

For more general graphs, and other advanced variations, backpropagation can be understood in terms of automatic differentiation, where backpropagation is a special case of reverse accumulation (or «reverse mode»).^[5]

Intuition[edit]

Motivation[edit]

The goal of any supervised learning algorithm is to find a function that best maps a set of inputs to their correct output. The motivation for backpropagation is to train a multi-layered neural network such that it can learn the appropriate internal representations to allow it to learn any arbitrary mapping of input to output.^[10]

Learning as an optimization problem[edit]

To understand the mathematical derivation of the backpropagation algorithm, it helps to first develop some intuition about the relationship between the actual output of a neuron and the correct output for a particular training example. Consider a simple neural network with two input units, one output unit and no hidden units, and in which each neuron uses a linear output (unlike most work on neural networks, in which mapping from inputs to outputs is non-linear)^[g] that is the weighted sum of its input.

Initially, before training, the weights will be set randomly. Then the neuron learns from training examples, which in this case consist of a set of tuples where and are the inputs to the network and t is the correct output (the output the network should produce given those inputs, when it has been trained). The initial network, given and , will compute an output y that likely differs from t (given random weights). A loss function is used for measuring the discrepancy between the target output t and the computed output y. For regression analysis problems the squared error can be used as a loss function, for classification the categorical crossentropy can be used.

As an example consider a regression problem using the square error as a loss:

where E is the discrepancy or error.

Consider the network on a single training case: . Thus, the input and are 1 and 1 respectively and the correct output, t is 0. Now if the relation is plotted between the network’s output y on the horizontal axis and the error E on the vertical axis, the result is a parabola. The minimum of the parabola corresponds to the output y which minimizes the error E. For a single training case, the minimum also touches the horizontal axis, which means the error will be zero and the network can produce an output y that exactly matches the target output t. Therefore, the problem of mapping inputs to outputs can be reduced to an optimization problem of finding a function that will produce the minimal error.

However, the output of a neuron depends on the weighted sum of all its inputs:

where and are the weights on the connection from the input units to the output unit. Therefore, the error also depends on the incoming weights to the neuron, which is ultimately what needs to be changed in the network to enable learning.

In this example, upon injecting the training data , the loss function becomes

Then, the loss function takes the form of a parabolic cylinder with its base directed along . Since all sets of weights that satisfy minimize the loss function, in this case additional constraints are required to converge to a unique solution. Additional constraints could either be generated by setting specific conditions to the weights, or by injecting additional training data.

One commonly used algorithm to find the set of weights that minimizes the error is gradient descent. By backpropagation, the steepest descent direction is calculated of the loss function versus the present synaptic weights. Then, the weights can be modified along the steepest descent direction, and the error is minimized in an efficient way.

Derivation[edit]

The gradient descent method involves calculating the derivative of the loss function with respect to the weights of the network. This is normally done using backpropagation. Assuming one output neuron,^[h] the squared error function is

where

is the loss for the output and target value ,

is the target output for a training sample, and

is the actual output of the output neuron.

For each neuron , its output is defined as

where the activation function is non-linear and differentiable over the activation region (the ReLU is not differentiable at one point). A historically used activation function is the logistic function:

which has a convenient derivative of:

The input to a neuron is the weighted sum of outputs of previous neurons. If the neuron is in the first layer after the input layer, the of the input layer are simply the inputs to the network. The number of input units to the neuron is . The variable denotes the weight between neuron of the previous layer and neuron of the current layer.

Finding the derivative of the error[edit]

Calculating the partial derivative of the error with respect to a weight is done using the chain rule twice:

(Eq. 1)

In the last factor of the right-hand side of the above, only one term in the sum depends on , so that

(Eq. 2)

If the neuron is in the first layer after the input layer, is just .

The derivative of the output of neuron with respect to its input is simply the partial derivative of the activation function:

(Eq. 3)

which for the logistic activation function

This is the reason why backpropagation requires the activation function to be differentiable. (Nevertheless, the ReLU activation function, which is non-differentiable at 0, has become quite popular, e.g. in AlexNet)

The first factor is straightforward to evaluate if the neuron is in the output layer, because then and

(Eq. 4)

If half of the square error is used as loss function we can rewrite it as

However, if is in an arbitrary inner layer of the network, finding the derivative with respect to is less obvious.

Considering as a function with the inputs being all neurons receiving input from neuron ,

and taking the total derivative with respect to , a recursive expression for the derivative is obtained:

(Eq. 5)

Therefore, the derivative with respect to can be calculated if all the derivatives with respect to the outputs of the next layer – the ones closer to the output neuron – are known. [Note, if any of the neurons in set were not connected to neuron , they would be independent of and the corresponding partial derivative under the summation would vanish to 0.]

Substituting Eq. 2, Eq. 3 Eq.4 and Eq. 5 in Eq. 1 we obtain:

with

if is the logistic function, and the error is the square error:

To update the weight using gradient descent, one must choose a learning rate, . The change in weight needs to reflect the impact on of an increase or decrease in . If , an increase in increases ; conversely, if , an increase in decreases . The new is added to the old weight, and the product of the learning rate and the gradient, multiplied by guarantees that changes in a way that always decreases . In other words, in the equation immediately below, always changes in such a way that is decreased:

Second-order gradient descent[edit]

Using a Hessian matrix of second-order derivatives of the error function, the Levenberg-Marquardt algorithm often converges faster than first-order gradient descent, especially when the topology of the error function is complicated.^[11][12] It may also find solutions in smaller node counts for which other methods might not converge.^[12] The Hessian can be approximated by the Fisher information matrix.^[13]

Loss function[edit]

The loss function is a function that maps values of one or more variables onto a real number intuitively representing some «cost» associated with those values. For backpropagation, the loss function calculates the difference between the network output and its expected output, after a training example has propagated through the network.

Assumptions[edit]

The mathematical expression of the loss function must fulfill two conditions in order for it to be possibly used in backpropagation.^[14] The first is that it can be written as an average over error functions , for individual training examples, . The reason for this assumption is that the backpropagation algorithm calculates the gradient of the error function for a single training example, which needs to be generalized to the overall error function. The second assumption is that it can be written as a function of the outputs from the neural network.

Example loss function[edit]

Let be vectors in .

Select an error function measuring the difference between two outputs. The standard choice is the square of the Euclidean distance between the vectors and :

The error function over training examples can then be written as an average of losses over individual examples:

Limitations[edit]

• Gradient descent with backpropagation is not guaranteed to find the global minimum of the error function, but only a local minimum; also, it has trouble crossing plateaus in the error function landscape. This issue, caused by the non-convexity of error functions in neural networks, was long thought to be a major drawback, but Yann LeCun et al. argue that in many practical problems, it is not.^[15]
• Backpropagation learning does not require normalization of input vectors; however, normalization could improve performance.^[16]
• Backpropagation requires the derivatives of activation functions to be known at network design time.

History[edit]

The term backpropagation and its general use in neural networks was announced in Rumelhart, Hinton & Williams (1986a), then elaborated and popularized in Rumelhart, Hinton & Williams (1986b), but the technique was independently rediscovered many times, and had many predecessors dating to the 1960s.^[6][17]

The basics of continuous backpropagation were derived in the context of control theory by Henry J. Kelley in 1960,^[18] and by Arthur E. Bryson in 1961.^{[19][20][21][22][23]} They used principles of dynamic programming. In 1962, Stuart Dreyfus published a simpler derivation based only on the chain rule.^[24] Bryson and Ho described it as a multi-stage dynamic system optimization method in 1969.^[25][26] Backpropagation was derived by multiple researchers in the early 60’s^[22] and implemented to run on computers as early as 1970 by Seppo Linnainmaa.^[27][28][29] Paul Werbos was first in the US to propose that it could be used for neural nets after analyzing it in depth in his 1974 dissertation.^[30] While not applied to neural networks, in 1970 Linnainmaa published the general method for automatic differentiation (AD).^[28][29] Although very controversial, some scientists believe this was actually the first step toward developing a back-propagation algorithm.^{[22][23][27][31]} In 1973 Dreyfus adapts parameters of controllers in proportion to error gradients.^[32] In 1974 Werbos mentioned the possibility of applying this principle to artificial neural networks,^[30] and in 1982 he applied Linnainmaa’s AD method to non-linear functions.^[23][33]

Later the Werbos method was rediscovered and described in 1985 by Parker,^[34][35] and in 1986 by Rumelhart, Hinton and Williams.^[17][35][36] Rumelhart, Hinton and Williams showed experimentally that this method can generate useful internal representations of incoming data in hidden layers of neural networks.^[10][37][38] Yann LeCun proposed the modern form of the back-propagation learning algorithm for neural networks in his PhD thesis in 1987. In 1993, Eric Wan won an international pattern recognition contest through backpropagation.^[22][39]

During the 2000s it fell out of favour^{[citation needed]}, but returned in the 2010s, benefitting from cheap, powerful GPU-based computing systems. This has been especially so in speech recognition, machine vision, natural language processing, and language structure learning research (in which it has been used to explain a variety of phenomena related to first^[40] and second language learning.^[41]).

Error backpropagation has been suggested to explain human brain ERP components like the N400 and P600.^[42]

See also[edit]

• Artificial neural network
• Neural circuit
• Catastrophic interference
• Ensemble learning
• AdaBoost
• Overfitting
• Neural backpropagation
• Backpropagation through time

Notes[edit]

References[edit]

Further reading[edit]

• Goodfellow, Ian; Bengio, Yoshua; Courville, Aaron (2016). «6.5 Back-Propagation and Other Differentiation Algorithms». Deep Learning. MIT Press. pp. 200–220. ISBN 9780262035613.
• Nielsen, Michael A. (2015). «How the backpropagation algorithm works». Neural Networks and Deep Learning. Determination Press.
• McCaffrey, James (October 2012). «Neural Network Back-Propagation for Programmers». MSDN Magazine.
• Rojas, Raúl (1996). «The Backpropagation Algorithm» (PDF). Neural Networks : A Systematic Introduction. Berlin: Springer. ISBN 3-540-60505-3.

External links[edit]

• Backpropagation neural network tutorial at the Wikiversity
• Bernacki, Mariusz; Włodarczyk, Przemysław (2004). «Principles of training multi-layer neural network using backpropagation».
• Karpathy, Andrej (2016). «Lecture 4: Backpropagation, Neural Networks 1». CS231n. Stanford University. Archived from the original on 2021-12-12 – via YouTube.
• «What is Backpropagation Really Doing?». 3Blue1Brown. November 3, 2017. Archived from the original on 2021-12-12 – via YouTube.
• Putta, Sudeep Raja (2022). «Yet Another Derivation of Backpropagation in Matrix Form».

Метод обратного распространения ошибок (англ. backpropagation) — метод вычисления градиента, который используется при обновлении весов в нейронной сети.

Обучение как задача оптимизации

Рассмотрим простую нейронную сеть без скрытых слоев, с двумя входными вершинами и одной выходной, в которых каждый нейрон использует линейную функцию активации, (обычно, многослойные нейронные сети используют нелинейные функции активации, линейные функции используются для упрощения понимания) которая является взвешенной суммой входных данных.

Изначально веса задаются случайно. Затем, нейрон обучается с помощью тренировочного множества, которое в этом случае состоит из множества троек где и — это входные данные сети и — правильный ответ. Начальная сеть, приняв на вход и , вычислит ответ , который вероятно отличается от . Общепринятый метод вычисления несоответствия между ожидаемым и получившимся ответом — квадратичная функция потерь:

где ошибка.

В качестве примера, обучим сеть на объекте , таким образом, значения и равны 1, а равно 0. Построим график зависимости ошибки от действительного ответа , его результатом будет парабола. Минимум параболы соответствует ответу , минимизирующему . Если тренировочный объект один, минимум касается горизонтальной оси, следовательно ошибка будет нулевая и сеть может выдать ответ равный ожидаемому ответу . Следовательно, задача преобразования входных значений в выходные может быть сведена к задаче оптимизации, заключающейся в поиске функции, которая даст минимальную ошибку.

В таком случае, выходное значение нейрона — взвешенная сумма всех его входных значений:

где и — веса на ребрах, соединяющих входные вершины с выходной. Следовательно, ошибка зависит от весов ребер, входящих в нейрон. И именно это нужно менять в процессе обучения. Распространенный алгоритм для поиска набора весов, минимизирующего ошибку — градиентный спуск. Метод обратного распространения ошибки используется для вычисления самого «крутого» направления для спуска.

Дифференцирование для однослойной сети

Метод градиентного спуска включает в себя вычисление дифференциала квадратичной функции ошибки относительно весов сети. Обычно это делается с помощью метода обратного распространения ошибки. Предположим, что выходной нейрон один, (их может быть несколько, тогда ошибка — это квадратичная норма вектора разницы) тогда квадратичная функция ошибки:

где — квадратичная ошибка, — требуемый ответ для обучающего образца, — действительный ответ сети.

Множитель добавлен чтобы предотвратить возникновение экспоненты во время дифференцирования. На результат это не повлияет, потому что позже выражение будет умножено на произвольную величину скорости обучения (англ. learning rate).

Для каждого нейрона , его выходное значение определено как

Входные значения нейрона — это взвешенная сумма выходных значений предыдущих нейронов. Если нейрон в первом слое после входного, то входного слоя — это просто входные значения сети. Количество входных значений нейрона . Переменная обозначает вес на ребре между нейроном предыдущего слоя и нейроном текущего слоя.

Функция активации нелинейна и дифференцируема. Одна из распространенных функций активации — сигмоида:

у нее удобная производная:

Находим производную ошибки

Вычисление частной производной ошибки по весам выполняется с помощью цепного правила:

Только одно слагаемое в зависит от , так что

Если нейрон в первом слое после входного, то — это просто .

Производная выходного значения нейрона по его входному значению — это просто частная производная функции активации (предполагается что в качестве функции активации используется сигмоида):

По этой причине данный метод требует дифференцируемой функции активации. (Тем не менее, функция ReLU стала достаточно популярной в последнее время, хоть и не дифференцируема в 0)

Первый множитель легко вычислим, если нейрон находится в выходном слое, ведь в таком случае и

Тем не менее, если произвольный внутренний слой сети, нахождение производной по менее очевидно.

Если рассмотреть как функцию, берущую на вход все нейроны получающие на вход значение нейрона ,

и взять полную производную по , то получим рекурсивное выражение для производной:

Следовательно, производная по может быть вычислена если все производные по выходным значениям следующего слоя известны.

Если собрать все месте:

и

Чтобы обновить вес используя градиентный спуск, нужно выбрать скорость обучения, . Изменение в весах должно отражать влияние на увеличение или уменьшение в . Если , увеличение увеличивает ; наоборот, если , увеличение уменьшает . Новый добавлен к старым весам, и произведение скорости обучения на градиент, умноженный на , гарантирует, что изменения будут всегда уменьшать . Другими словами, в следующем уравнении, всегда изменяет в такую сторону, что уменьшается:

Алгоритм

• — скорость обучения
• — коэффициент инерциальности для сглаживания резких скачков при перемещении по поверхности целевой функции
• — обучающее множество
• — количество повторений
• — функция, подающая x на вход сети и возвращающая выходные значения всех ее узлов
• — количество слоев в сети
• — множество нейронов в слое i
• — множество нейронов в выходном слое

fun BackPropagation:
   init 
   repeat :
       for  =  to :
            =  
           for :
                = 
           for  =  to :
               for :
                    = 
           for :
                = 
                = 
   return 

Недостатки алгоритма

Несмотря на многочисленные успешные применения обратного распространения, оно не является универсальным решением. Больше всего неприятностей приносит неопределённо долгий процесс обучения. В сложных задачах для обучения сети могут потребоваться дни или даже недели, она может и вообще не обучиться. Причиной может быть одна из описанных ниже.

Паралич сети

В процессе обучения сети значения весов могут в результате коррекции стать очень большими величинами. Это может привести к тому, что все или большинство нейронов будут функционировать при очень больших выходных значениях, а производная активирующей функции будет очень мала. Так как посылаемая обратно в процессе обучения ошибка пропорциональна этой производной, то процесс обучения может практически замереть.

Локальные минимумы

Градиентный спуск с обратным распространением ошибок гарантирует нахождение только локального минимума функции; также, возникают проблемы с пересечением плато на поверхности функции ошибки.

Примечания

• Алгоритм обучения многослойной нейронной сети методом обратного распространения ошибки
• Neural Nets
• Understanding backpropagation

См. также

• Нейронные сети, перцептрон
• Стохастический градиентный спуск
• Настройка глубокой сети
• Практики реализации нейронных сетей

Источники информации

• https://en.wikipedia.org/wiki/Backpropagation
• https://ru.wikipedia.org/wiki/Метод_обратного_распространения_ошибки