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Numpy梯度下降反向传播代码实现

时间:2020-09-27 21:43:57      阅读:80      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

代码

# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np

# N是批量大小; D_in是输入维度;
# 49/5000 H是隐藏的维度; D_out是输出维度。
N, D_in, H, D_out = 64, 1000, 100, 10

# 创建随机输入和输出数据
x = np.random.randn(N, D_in)
y = np.random.randn(N, D_out)

# 随机初始化权重
w1 = np.random.randn(D_in, H)
w2 = np.random.randn(H, D_out)

learning_rate = 1e-6
for t in range(500):
    # 前向传递:计算预测值y
    h = x.dot(w1)
    h_relu = np.maximum(h, 0)
    y_pred = h_relu.dot(w2)

    # 计算和打印损失loss
    loss = np.square(y_pred - y).sum()
    print(t, loss)

    # 反向传播,计算w1和w2对loss的梯度
    grad_y_pred = 2.0 * (y_pred - y)
    grad_w2 = h_relu.T.dot(grad_y_pred)
    grad_h_relu = grad_y_pred.dot(w2.T)
    grad_h = grad_h_relu.copy()
    grad_h[h < 0] = 0
    grad_w1 = x.T.dot(grad_h)

    # 更新权重
    w1 -= learning_rate * grad_w1
    w2 -= learning_rate * grad_w2

这段代码是我随便找的,包含一个隐藏层,很简单,就以这个作为举例。

 

反向传播

先看下正向传播:

$$h = xw^{1}$$
$$h\_relu = ReLU(h)$$
$$y\_pred=h\_relu * w^{2}$$
$$loss=(y\_pred-y)^2$$
当我们反向传播时,需要从Output Layer层开始,利用链式求导法则,一步一步求导计算。
E.g. 计算loss对$w^2$的偏导过程如下:
$$\frac{\partial loss}{\partial w^2} = \frac{\partial loss}{\partial y\_pred}\frac{\partial y\_pred}{\partial w^2}=2(y\_pred-y)*h\_relu$$
然而,虽然推导出来了,但是用代码实现时可能又会遇到困难,不知道谁在前谁在后,而且往往还需要转置。最好的解决办法其实就是看维度,需要记住的是,向量对标量求导的结果的维度和向量的维度是一致的。
故在上式中,$\frac{\partial loss}{\partial w^2}$的维度是$(100,10)$,$\frac{\partial loss}{\partial y\_pred}$的维度是$(64,10)$,$\frac{\partial y\_pred}{\partial w^2}$的维度是$(64,100)$。
这两者相乘后的维度得为$(100, 10)$,那就只有将后者转置后相乘,即$(64,100)^T*(64,10)$。写成代码就正好是:
 grad_w2 = h_relu.T.dot(grad_y_pred)

其余的推导皆是如此。

 
 
 
参考:

Numpy梯度下降反向传播代码实现

原文:https://www.cnblogs.com/zyb993963526/p/13741577.html

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