深入浅出梯度下降与反向传播

1. 前言

  在深度学习中，梯度下降和反向传播是两个至关重要的概念。它们共同作用于优化神经网络，使其能够从数据中学习到有用的模式。尽管它们是深度学习的核心，但很多人对这两个概念仍然感到困惑。本博客将深入讲解梯度下降和反向传播的基本原理，并通过一个简单的示例来加以说明。

2. 基本概念

2.1 一元函数的导数

  如果有一个函数 $f(x)$，它的导数 $f^{\prime }(x)$ 给出了函数在点 $x_0$ 处沿着 $x$ 轴的变化速率，即：
$$f^{\prime }(x_0)=\underset{\Delta x\to 0}{\lim }\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}$$  这个导数告诉我们，沿着$x$轴方向，函数的变化快慢情况。

2.2 偏导数

  对于多变量函数 $f(x_1,x_2,\dots ,x_n)$，偏导数描述了函数在某一维度（即某个变量）上变化的速率。例如，函数 $f(x,y)=x^2+y^2$ 的偏导数为：
$$\frac{\partial f}{\partial x}=2x,\frac{\partial f}{\partial y}=2y$$  这些偏导数分别表示函数在$x$轴方向和$y$轴方向的变化速率。

2.3 方向导数

  描述了一个多变量函数在某一点沿任意给定方向的变化率。对于一个函数 $f(x_1,x_2,\dots ,x_n)$，在点 ${\mathbf{x}}_0$ 处沿着单位向量 $\mathbf{v}$ 方向的方向导数表示为：
$$D_{\mathbf{v}}f({\mathbf{x}}_0)=\nabla f({\mathbf{x}}_0)\cdot \mathbf{v}$$其中，$\nabla f({\mathbf{x}}_0)$ 是函数在点 ${\mathbf{x}}_0$ 的梯度。
  方向导数的几何意义：方向导数给出了函数在某一点沿某个方向的变化速率。它可以看作是沿着某个方向的切线变化率，而不仅仅是沿坐标轴的变化率。
  即在某一点 ${\mathbf{x}}_0$，如果我们沿着某个方向 $\mathbf{v}$ 走，方向导数告诉我们，沿着这个方向走时，函数值变化的快慢。如果方向导数为正，说明函数值在增加；如果为负，说明函数值在减少；如果为零，说明函数值在这个方向上没有变化。

2.4 梯度

  在一个多变量的标量函数 $f(x_1,x_2,\dots ,x_n)$ 中，梯度是一个向量，表示函数在某一点的最速上升方向。梯度不仅告诉我们函数的变化率，还告诉我们该变化率最大的方向。具体来说，梯度是函数的所有偏导数组成的向量：
$$\nabla f(x_1,x_2,\dots ,x_n)=\left(\frac{\partial f}{\partial x_1},\frac{\partial f}{\partial x_2},\dots ,\frac{\partial f}{\partial x_n}\right)$$  梯度的方向：梯度的方向指向函数值增加最快的方向。
  梯度的大小：梯度的模长（即向量的长度）表示沿着这个方向，函数变化的速率。

  可以把梯度看作是一个“指示器”，它告诉我们在某一点，函数增长最快的方向。换句话说，梯度指向了“上坡”的方向。

2.5 均方误差

  均方误差(Mean Squared Error, MSE)，是一种常用的衡量模型预测值与实际值之间差异的指标，尤其是回归任务中，MSE的计算公式如下：
$$MSE=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n(y_i-{\hat{y}}_i{)}^2$$其中，$n$是样本数量，$y_i$是第$i$个样本的真实值，${\hat{y}}_i$是模型对第$i$个样本的预测值。

  均方误差也叫做最小二乘法。

3. 梯度下降

  梯度下降(Gradient Descent, GD)是一种优化算法，用于最小化（或最大化）一个函数，通常用来训练机器学习模型。在神经网络中，我们的目标是通过调整模型的参数（例如权重和偏置）来最小化损失函数。损失函数衡量了模型的预测与实际标签之间的差异，目标是让这个损失函数的值尽可能小。
  梯度下降的核心思想是，沿着损失函数的梯度（偏导数）下降，不断更新参数，直到达到最小值。

3.1 梯度下降的公式

  梯度下降的更新规则如下：
$$\theta =\theta -\eta \cdot {\nabla }_{\theta }L(\theta )$$其中：
  $\theta$ 是模型的参数（例如权重和偏置）。
  $\eta$ 是学习率（learning rate），控制每次更新的步长。
  ${\nabla }_{\theta }L(\theta )$ 是损失函数 $L$ 关于参数 $\theta$ 的梯度。
  梯度 ${\nabla }_{\theta }L(\theta )$ 告诉我们，沿着哪个方向更新参数能使损失函数下降得更快。

3.2 梯度下降的类型（优化器）

  1. 批量梯度下降(Batch Gradient Descent)：每次使用整个数据集来计算梯度和更新参数。虽然准确性高，但计算开销大，尤其是在数据量很大的时候。
  2. 随机梯度下降(Stochastic Gradient Descent, SGD)：每次只用一个样本来计算梯度和更新参数。虽然更新速度快，但可能会导致参数更新不稳定。
  3. 小批量梯度下降(Mini-Batch Gradient Descent)：每次使用数据集中的一个小批量样本来计算梯度和更新参数。这种方法结合了批量和随机梯度下降的优点。
  当然，还有很多类型的优化，比如Adam、RMSprop、AdaW等，这里不再细述。

4. 反向传播

  反向传播(Back Propagation, BP)是用于计算神经网络中每一层的梯度的算法。它是梯度下降的一部分，特别用于计算和传播每个参数对损失函数的贡献。
  反向传播算法依赖于链式法则(Chain Rule)，通过链式法则可以将损失函数对模型参数的梯度逐层传播回去，从而更新每一层的参数。

  即从输出层一步步传播到输入层。

4.1 反向传播的基本步骤

假设我们有一个包含多个层的神经网络，每一层都有权重 $W$ 和偏置 $b$。反向传播的步骤如下：
  1. 前向传播：从输入层开始，将输入数据传递到输出层，并计算出预测值。
  2. 计算损失：根据模型的输出与真实标签计算损失函数。
  3. 反向传播：
    (1)计算输出层的梯度，即损失函数关于输出的偏导数。
    (2)逐层计算隐藏层的梯度，即损失函数关于每一层的输入、权重和偏置的偏导数。
  4. 更新权重和偏置：根据梯度下降规则更新每一层的权重和偏置。

4.2 反向传播的数学推导

  假设神经网络有两层，每层的输出分别为 $a_1$ 和 $a_2$，损失函数为 $L$。反向传播的目标是计算 $\frac{\partial L}{\partial W_1}$ 和 $\frac{\partial L}{\partial W_2}$，即每一层权重的梯度。
  1. 输出层梯度计算：
$$\frac{\partial L}{\partial a_2}=\frac{\partial L}{\partial y}\cdot \frac{\partial y}{\partial a_2}$$其中$y$是输出层的预测值。
  2. 隐藏层梯度计算：
$$\frac{\partial L}{\partial a_1}=\frac{\partial L}{\partial a_2}\cdot \frac{\partial a_2}{\partial a_1}$$然后，我们使用链式法则计算每一层的权重梯度。
  3. 参数更新：根据计算出来的梯度使用梯度下降更新权重和偏置。

5. 实战

5.1 手动求导

  我们来构建一个简单的神经网络，做一个线性回归：

  模型的输入为2维数据，输出为1维数据，该模型的函数表达式可以表示为：
$$y^{\ast }=w_5\cdot (w_1\cdot x_1+w_3\cdot x_2)+w_6\cdot (w_2\cdot x_1+w_4\cdot x_2)$$  我们使用MSE来作为损失函数，来优化我们的网络，即
$$Loss=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n(y_i-y_i^{\ast }{)}^2$$
  假设初始时模型的权重为：
$$w_1=1.0，w_2=0.5，w_3=0.5，w_4=0.7$$$$w_5=1.0，w_6=2.0$$  已知一个样本数据：
$$x_1=0.5，x_2=1.0，y=0.8$$  按照上述公式，计算一次前向传播，得到 $y^{\ast }=2.9$，与真实值 $y$ 的偏差可以通过 $loss$ 计算得到，$loss=(y-y^{\ast }{)}^2=4.41$。然后我们通过梯度下降的方式来更新$w_5$，需要先计算出在点$(x_1,x_2)$的梯度：
$$\nabla =\frac{\partial L}{\partial w_1}=\frac{\partial L}{\partial y^{\ast }}\cdot \frac{\partial y^{\ast }}{\partial w_5}$$$$\frac{\partial L}{\partial y^{\ast }}=-2(y-y^{\ast })=4.2$$$$\frac{\partial y^{\ast }}{\partial w_5}=w_1\cdot x_1+w_3\cdot x_2=1.0$$
  所以梯度为：
$$\frac{\partial L}{\partial w_1}=4.2$$  假设，学习率为$0.01$，根据梯度下降算法 $\theta =\theta -\eta \cdot {\nabla }_{\theta }L(\theta )$ 更新$w5$:
$$w_5=w_5-\eta \frac{\partial L}{\partial w_5}=0.958$$  同理，可以更新$w_1$：
$$\frac{\partial y^{\ast }}{\partial w_1}=w_5{x}_1=0.5$$$$\frac{\partial L}{\partial w_1}=\frac{\partial L}{\partial y^{\ast }}\cdot \frac{\partial y^{\ast }}{\partial w_1}=2.1$$$$w_1=w_1-\eta \frac{\partial L}{\partial w_1}=0.979$$

5.2 自动求导

  将上面模型的表达式形式化，即
$$y\ast =(x^T\cdot W_h)\cdot W_o$$其中，
$$x=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]，W_h=\left[\begin{array}{cc}{w}_1& w_2\\ w_3& w_4\end{array}\right]，W_o=\left[\begin{array}{cc}{w}_5& w_6\end{array}\right]$$  这样，我们就可以使用pytorch来构建上述神经网络了，具体如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
# Author  : liyanpeng
# Email   : [e-mail]
# Datetime: 2024/11/29 17:38
# Filename: chain_rule.py
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optimdef func_y():x1 = torch.tensor(0.5, dtype=torch.float32)x2 = torch.tensor(1.0, dtype=torch.float32)w1 = torch.tensor(1.0, dtype=torch.float32)w2 = torch.tensor(0.5, dtype=torch.float32)w3 = torch.tensor(0.5, dtype=torch.float32)w4 = torch.tensor(0.7, dtype=torch.float32)w5 = torch.tensor(1.0, dtype=torch.float32)w6 = torch.tensor(2.0, dtype=torch.float32)y = w5 * (w1 * x1 + w2 * x2) + w6 * (w3 * x1 + w4 * x2)print(y)class SimpleNeuralNetwork(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.linear1 = nn.Linear(in_features=2, out_features=2, bias=False)self.linear2 = nn.Linear(in_features=2, out_features=1, bias=False)self.linear1.weight.data = torch.tensor([[1.0, 0.5], [0.5, 0.7]], dtype=torch.float32)self.linear2.weight.data = torch.tensor([[1.0, 2.0]], dtype=torch.float32)def forward(self, x):x = self.linear1(x)y = self.linear2(x)return ydef grad_hook(grad):print('grad:', grad[0][0])if __name__ == '__main__':x = torch.tensor([0.5, 1.0], dtype=torch.float32)y = torch.tensor(0.8, dtype=torch.float32)model = SimpleNeuralNetwork()criterion = nn.MSELoss()optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)hook_list = []for name, param in model.named_parameters():if param.requires_grad:hook = param.register_hook(grad_hook)hook_list.append(hook)y_pred = model(x)loss = criterion(y_pred, y)optimizer.zero_grad()   # 清空梯度loss.backward()         # 反向传播optimizer.step()        # 更新权重for hook in hook_list:hook.remove()print('更新后的w1：', model.linear1.weight.data[0, 0])print('更新后的w5：', model.linear2.weight.data[0, 0])

  打印结果如下，与手动计算的结果一致：

grad: tensor(4.2000)
grad: tensor(2.1000)
更新后的w1： tensor(0.9790)
更新后的w5： tensor(0.9580)

5.3 过程可视化

  再加入一些可视化代码，看一下权重更新的轨迹：

# -*- coding: utf-8 -*-
# Author  : liyanpeng
# Email   : [e-mail]
# Datetime: 2024/11/29 17:38
# Filename: chain_rule.py
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import numpy as npif __name__ == '__main__':x = torch.tensor([0.5, 1.0], dtype=torch.float32)y = torch.tensor(0.8, dtype=torch.float32)model = SimpleNeuralNetwork()criterion = nn.MSELoss()optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)loss_list = []w1_list = []w2_list = []for epoch in range(5):y_pred = model(x)loss = criterion(y_pred, y)optimizer.zero_grad()   # 清空梯度loss.backward()         # 反向传播optimizer.step()        # 更新权重loss_list.append(loss.item())w1_list.append(model.linear1.weight.data[0, 0].item())w2_list.append(model.linear2.weight.data[0, 0].item())fig = plt.figure(figsize=(8, 6))# 3D曲面图和等高线图ax1 = fig.add_subplot(111, projection='3d')ax1.set_title("3D Loss Surface with Contours and Trajectory")# 将损失值、权重映射到X, Y, Z轴ax1.plot_trisurf(w1_list, w2_list, loss_list, cmap='viridis', alpha=0.7)# 生成网格数据，用于绘制等高线图w1_range = np.linspace(min(w1_list), max(w1_list), 100)w2_range = np.linspace(min(w2_list), max(w2_list), 100)W1, W2 = np.meshgrid(w1_range, w2_range)np.random.seed(42)x_train = np.random.rand(100, 2)noise = np.random.randn(100, 1)# f(x, y) = 2x^2 + y^2 - 0.7 + noisey_train = 2 * x_train[:, 0] * x_train[:, 0] + x_train[:, 1] * x_train[:, 1] - 0.7 + noise# 计算每个网格点的损失值loss_grid = np.zeros(W1.shape)for i in range(W1.shape[0]):for j in range(W1.shape[1]):model.linear1.weight.data[0, 0] = W1[i, j]model.linear2.weight.data[0, 0] = W2[i, j]y_pred = model(torch.tensor(x_train, dtype=torch.float32))loss_grid[i, j] = criterion(y_pred, torch.tensor(y_train, dtype=torch.float32)).item()# 绘制等高线图ax1.contour(W1, W2, loss_grid, levels=20, cmap='viridis', offset=min(loss_list))# 绘制权重更新轨迹ax1.plot(w1_list, w2_list, loss_list, 'k-', marker='o', markersize=5, label="Weight Update Trajectory")ax1.plot(w1_list, w2_list, [min(loss_list)] * len(w1_list), 'r-', marker='o', markersize=5, label="Trajectory on Contours")# 在等高线图上标记权重更新的坐标for i in range(len(w1_list)):ax1.text(w1_list[i], w2_list[i], min(loss_list),f'({w1_list[i]:.4f}, {w2_list[i]:.4f})',color='red', fontsize=8, ha='center', va='center')ax1.set_xlabel('Linear1 Weight (First Element)')ax1.set_ylabel('Linear2 Weight (First Element)')ax1.set_zlabel('Loss')ax1.legend()plt.tight_layout()plt.show()

  绘制的效果图如下：

  损失函数从右侧至左侧逐渐收敛，最右侧的点是我们第一次更新时$w_1$和$w_2$的权重。