天天透天天干,欧美福利在线,国产三级网站,色婷婷综合网,亚洲欧美成人一区二区,亚洲国产精品成人久久久麻豆,国产剧情久久久

您當前的位置是:  首頁 > 新聞 > 專家觀點 >
 首頁 > 新聞 > 專家觀點 >

李理:從Image Caption Generation理解深度學習3

2016-12-13 14:55:37   作者:   來源:CTI論壇   評論:0  點擊:


  本系列文章面向程序員,希望通過Image Caption Generation,一個有意思的具體任務,深入淺出地介紹深度學習的知識,涉及到很多深度學習流行的模型,如CNN,RNN/LSTM,Attention等。本文為第三篇。 
  作者:李理,目前就職于環(huán)信,即時通訊云平臺和全媒體智能客服平臺,在環(huán)信從事智能客服和智能機器人相關工作,致力于用深度學習來提高智能機器人的性能。
  相關文章:
  2.2.5反向傳播算法的推導
  前面我們用很簡單的幾十行python代碼基本上完成了一個多層神經網絡。但是還差最重要的部分,那就是計算lossfunction對參數的偏導數,也就是反向傳播算法。下面我們來仔細的完成公式的推導,以及接下來會講怎么用代碼來實現。這一部分數學公式多一些,可能很多讀者會希望跳過去,不過我還是建議大家仔細的閱讀,其實神經網絡用到的數學相比svm,bayesnetwork等機器學習算法,已經非常簡單了。請讀者閱讀的時候最好準備一支筆和幾張白紙,每一個公式都能推導一下。如果堅持下來,你會覺得其實挺簡單的。
  (1)feedforward階段的矩陣參數表示和計算
  之前我們討論的是一個神經元的計算,而在代碼里用到的卻是矩陣向量乘法。而且細心的讀者會發(fā)現我們在構造參數矩陣weights的時候,行數和列數分別是后一層的節(jié)點數和前一層的節(jié)點數。這似乎有點不自然,為什么不反過來呢?看過下面這一部分就會明白了。
\
  首先我們熟悉一下第L(因為小寫的L和1太像,所以我用大寫的L)層的參數w_jk。它表示第L-1層的第k個神經元到第L層的第j個神經元的權重。比如第3層的w_24,參考上面的圖,它表示的是第2層的第4個神經元到第3層的第二個神經元。
  對bias和激活函數后的結果a也采用類似的記號,如下圖所示。
\
  b_32表示第2層的第3個神經元的bias,而a_13第3層的第1個神經元的激活。
  使用上面的記號,我們就可以計算第L層的第j個神經元的輸出a_jl:
\
  第L層的第j個神經元的輸入是L-1層的a_1,a_2,...;對應的權值是w_j1,w_j2,...;bias是b_jL。所以a_jL就是上面的公式,k的范圍是從1到第L-1層的神經元的個數。
  為了用矩陣向量乘法來一次計算第L層的所有神經元的輸出,我們需要定義第L層的參數矩陣w_l,它的大小是m*n,其中m是第L層的神經元個數;而n則是第L-1層的個數。它的第i行第j列就是我們上面定義的w_jk。此外我們還要定義向量b_l,它的大小是m(也就是第L層神經元的個數),它的第j個元素就是我們上面定義的b_j。
  最后,我們定義element-wise的函數,比如f(x)=x^2,如果輸入是一個向量,那么結果是和輸入一樣大小的向量,它的每個元素是對輸入向量的每一個元素應用這個函數的結果。
\
  有了上面的定義,我們就可以一次計算出第L層的輸出(一個長度為m的向量)
\
  下面是對上面這個公式的詳細證明(說明):
  我們需要證明的是向量aL的第j個元素就是前面的a_jL
\
  此外,為了方便后面的求解,我們把加權累加和也用一個符號z_l來表示。
\
  其中,它的第j個元素就是第L層的第j個神經元的加權累加和:
\
  這樣a_l就可以簡單的對z_l的每個元素計算激活函數
\
  現在我們再回顧一下feedforward的代碼就非常直觀了:
def feedforward(self, a):
"""Return the output of the network if a is input."""
for b, w in zip(self.biases, self.weights):
a = sigmoid(np.dot(w, a)+b)
return a
  傳給函數feedforward的參數a就是輸入向量x,第一層就是x,第二層就是第一個隱層,每一層的計算就是非常簡單的參數矩陣w_l乘以上一層的激活a_l-1在加上b_l,然后用激活函數計算。
  初始化的時候w的大小是(后一層的神經元個數)*(前一層的神經元個數),再回顧一下初始化參數的代碼:
# sizes = [784, 30, 10]
def __init__(self, sizes):
self.num_layers = len(sizes)
self.sizes = sizes
self.biases = [np.random.randn(y, 1) for y in sizes[1:]]
self.weights = [np.random.randn(y, x)for x, y in zip(sizes[:-1], sizes[1:])]
  x,yinzip(sizes[:-1],sizes[1:])x是第一層到最后倒數第二層,y是第二層到最后一層,比如上面的sizes=[784,30,10]
  x是[784,30],y是[30,10],注意隨機的矩陣是(y,x),所以self.weights是兩個矩陣,大小分別是30*784和10*30
  (2)關于損失函數C的兩個假設
  1.損失函數是每個訓練數據的損失的平均
  也就是C是這樣的形式:
\
  對于之前我們使用的MSE損失函數,這是滿足的。我們使用batch的梯度下降的時候需要求C對參數w的偏導數,因為損失函數是每個訓練數據的損失的平均,所以我們只需要求每個數據的偏導數,然后加起來平均就行。這個假設幾乎所有的損失函數都是滿足的【我是沒見過損失函數不滿足這個條件】
  損失函數是最后一層輸出的函數
\
  這個條件幾乎常見的損失函數都是這樣的,我們之前時候的MSE就是計算最后一層的輸出aL和正確的y(one-hot)的均方誤差,顯然是滿足的。
  (3)Hadamard product
  這個名字看起來很復雜,其實很簡單,就是兩個向量elementwise的乘法?匆粋例子就清楚了:
\
  (4)反向傳播算法(back propagation)的4個公式
  回顧一下,我們之前說了,梯度下降其實最核心的問題就是求損失函數對每一個參數的偏導數。那我們就直接一個一個求好了,為什么又要搞出一個反向傳播算法呢?其實這個算法在不同的領域被不同的人重復“發(fā)現”過很多次,有過很多不同的名字,最本質的應該就是逆向求導(reverse-mode differentiation)或者叫做自動求導(automatic differentiation)。自動求導(AD)是非常通用的一種求偏導數的方法,很早就在流體力學和大氣物理等領域使用,反向傳播算法可以認為是AD在神經網絡中的應用。不過最早發(fā)現這個算法的人(是誰最早好像還有點爭議)并不是先知道AD可以直接用于神經網絡,他發(fā)現這個算法是基于錯誤的反向傳播而得到的,所有命名為(錯誤的)反向傳播算法。后面我們會講到AD,這是一個強大的算法,任何一個函數,你能把它分解成有向無環(huán)圖的計算圖【函數一般都能分解成一些無依賴的最基礎的變量的復合函數,因此肯定可以表示成這樣一個有向無環(huán)圖】,然后每個節(jié)點都表示一個函數。只要你能求出這個函數在特定點的梯度【也就是這個函數對所以自變量的偏導數】(不需要求解析的偏導數,當然很多情況,這些函數都是能直接求出解析解,然后代入這個特定點就行,但理論上我們是可以用其他方法,比如數值梯度近似來求的),就能自動的計算損失函數對每一個參數的偏導數(也是在這個點的),而且只要反向根據拓撲排序遍歷這個圖一次就行,非常高效和簡單。后面我們會詳細的介紹AD。這個方法非常通用,TensorFlow的核心就是AD。使用AD的框架就比較靈活,我想“創(chuàng)造”一種新的網絡結構,我又不想【其實更可能是不會】推導出梯度的公式,那么我只需要把我的網絡能用這樣一個有向無環(huán)圖表示就行。當然節(jié)點必須要能夠求出梯度來,一般我們的函數比如矩陣的運算,卷積等等TensorFlow都封裝好了——它把它叫做一個op。我們只需要搭積木一樣把這個計算圖定義出來,TensorFlow就自動的能根據AD計算出損失函數對所有參數的梯度來了。當然如果你要用到一個TensorFlow沒有的op,那你就需要根據它的規(guī)范實現這個op,一個op最核心的接口就是兩個,一個是輸入x,求f(x);另一個就是求f在某個x0點的梯度。
  不過這里,我們還是沿著神經網絡的發(fā)展歷史,從錯誤的反向傳播角度來理解和推導這個算法。
  首先,我們會對每一個神經元比如第L層的第j個,都定義一個錯誤δ_jL
\
  也就是損失函數對z也就是線性累加和的偏導數。為什么定義這樣一個東西呢?我們假設在第L層的第j個神經元上有一個精靈(Daemon)
\
  當這個神經元得到來自上一次的輸入累加計算出z_jL的時候,它會惡作劇的給一點很小的干擾Δz_jL。原來它應該輸出的是σ(z_jL),現在變成了σ(z_jL+Δz_jL)。這個微小的變化逐層傳播,最終導致損失函數C也發(fā)生如下的變化:
\
  這個其實就是導數的直覺定義:微小的Δx引起微小的Δy,Δy/Δx約等于導數。
  不過這個精靈是個好精靈,它想幫助我們減少損失。當
\
  大于0的時候,它讓Δz_jL小于0,反之當它小于0的時候它讓Δz_jL大于0.這樣
\
  總是小于0
  因此我們的loss就會變小。而其絕對值越大,我們的損失減少的越多。
  當然你會說為什么不能讓Δz_jL非常大,這樣我們的損失總是減少很多?可惜這個精靈是個數學家,它說如果Δx太大,那么Δy=df/dx*Δx就不準確了。
  所以我們可以這樣認為:它就是第L層的第j個神經元“引起”的“錯誤”。如果絕對值大,則它的“責任”也大,它就得多做出一些調整;反之如果它趨近于0,說明它沒有什么“責任”,也就不需要做出什么改變。
  因此通過上面的啟發(fā),我們定義出δ_jL來。
\
  接下來我們逐個介紹反向傳播算法的4個公式。
  公式1.第L層(最后一層)的錯誤
\
  這個公式的第一項,就是損失C對a_jL的導數,它越大,說明C受a_jL的影響也就越大,如果有了錯誤,第a_jL的“責任”也就越大,錯誤也就越大。第二項是a_jL受z_jL的影響。兩者乘起來就是z_jL對最終損失的影響,也就是它的“責任”的大小。
  這個公式很好計算,首先第二項就是把z_jL的值(這個在feedforward節(jié)點就算出來并存儲下來了)代入σ'(x)。如果σ是sigmoid函數,我們前面也推導過它的導數:σ’(x)=σ(x)*(1-σ(x))。第一項當然依賴于損失函數的定義,一般也很好求。比如我們的MSE損失:
\
  具體的推導我在紙上寫了一下,雖然很簡單,我們也可以練練手,尤其是對于求和公式的展開,希望大家能熟悉它,以后的推導我可能就不展開求和公式了,你需要知道求和公式里哪些項是和外面的自變量無關的。
\
  公式BP1是elementwise的,我們需要變量j來計算每一個δ_jL。我們也可以把它寫成向量的形式,以方便利用線性代數庫,它們可以一次計算向量或者矩陣,可以用很多技術利用硬件特性來優(yōu)化(包括GPU,SSE等)速度。
\
  右邊δ'(z_L)很容易理解,左邊的記號可能有些費解,其實我們把?aC當成一個整體就好了,它是一個向量,第一個元素是∂C/∂a_1L,第二個就是∂C/∂a_2L,…
  如果算上函數C是MSE的話,上面的公式就可以簡化成:
\
  公式2.第l層(非最后一層)的錯誤
\
  等下我們會證明這個公式,不過首先我們來熟悉一下公式。如果我們想“背”下這個公式的話,似乎看起來比第一個BP1要復雜很多。我們先檢查一下矩陣和向量的維度,假設l+1層有m個元素,l層n個。則w_l+1的大小是m*n,轉置之后是n*m,δ_l+1的大小是n*1,所以矩陣相乘后是m*1,這和δ_l是一樣的,沒有問題。
  接下來我們仔細觀察一下BP2這個公式,首先第二項σ'(z_l)和前面的含義一樣,代表a_l對于z_l的變化率。
  而第一項復雜一點,我們知道第l層的第j個神經元會影響第l+1層的所有神經元,從而也影響最終的損失C。這個公式直接給了一個矩陣向量的形式,看起來不清楚,所以我在草稿紙上展開了:
\
  最終第L層的第j個神經元的損失就是如下公式:
\
  這下應該就比較清楚了,第l層的第j個神經元的損失,就是把l+1層的損失“反向傳播”回來,當然要帶上權重,權重越大,“責任”也就越大。
  如果要“背”出這個公式也沒有那么復雜了,先不看σ'(z_l),第一項應該是矩陣w_l+1乘以δ_l+1.由于矩陣是m*n,而
  向量δ_l+1是m*1,為了能讓矩陣乘法成立,那么就只能把w轉置一下,變成n*m,然后就很容易記住這個公式了。
  注意,BP2的計算是從后往前的,首先根據BP1,最后一層的δ_L我們已經算出來了,因此可以向前計算L-1層的δ_L-1,
  有了δ_L-1就能計算δ_L-2,…,最終能算出第一個隱層(也就是第2層)δ_1來。
  公式3.損失函數對偏置b的梯度
  這前面費了大力氣求δ_l,不要忘了我們的最終目標是求損失函數對參數w和b的偏導數,而不是求對中間變量z的偏導數。
  因此這個公式就是對b的偏導數。
\
  或者寫成向量的形式:
\
\
  ∂C/∂b就是δ!
  公式4.損失函數對w的梯度
\
  或者參考下圖寫成好記的形式:
\

\
  也就是說對于一條邊w_jkL,∂C/∂w_ij就是這條邊射出的點的錯誤δ乘以進入點的激活。非常好記。
  我們把這四個公式再總結一下:
\
  (5)這四個公式的證明
  首先是BP1,請參考下圖:
\
  然后是BP2:
  這里用到了chainrule,其實也非常簡單和直觀,就是復合函數層層組合。最簡單的方法就是用圖畫出來,比如y最終
  是x的函數,我們要求∂y/∂x,如果y是u,v的函數,然后u,v才是x的函數,那么我們把變量x,y,u,v都畫成圖上的點,y是u,v的函數,那么我們畫上從u和v到y(tǒng)的邊,同樣,我們畫上從x到u和v的邊,然后從y到x的每條路徑,我們經過的邊都是一個偏導數,我們把它累加起來就行【這其實就是后面我們會講的AD】。因此∂y/∂x=∂y/∂u * ∂u/∂x +∂y/∂v * ∂v/∂x。
\
  剩下的BP3和BP4也非常類似,我就不證明了。
  反向傳播算法
  1.a_1=輸入向量x
  2.Feedforward根據公式
\
  和
\
  計算z_l和a_l并存儲下來(反向傳播時要用的)
  3.計算最后一層的錯誤
\
  向前計算所有層的錯誤
\
  計算損失對所有參數的偏導數
\
  2.2.6代碼實現反向傳播算法
  我們已經把公式推導出來了,那怎么用代碼實現呢?我們先把代碼復制一下,然后說明部分都是作為代碼的注釋了,
  請仔細閱讀。
class Network(object):
  def update_mini_batch(self, mini_batch, eta):
    # mini_batch是batch大小,eta是learning rate

    nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases]
    # 構造和self.biases一樣大小的向量,比如前面的例子 sizes=[784,30,10],則
    # nabla_b是兩個向量,大小分別是30和10

    nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights]
    # 構造和self.weights一樣大小的矩陣,比如前面的例子 sizes=[784,30,10],則
    # nabla_w是兩個矩陣,大小分別是30*784和10*30

    for x, y in mini_batch: #對于每個訓練樣本x和y
 delta_nabla_b, delta_nabla_w = self.backprop(x, y)
 # 用backprop函數計算損失函數對每一個參數的偏導數。
 # backprop函數下面會詳細講解

 nabla_b = [nb+dnb for nb, dnb in zip(nabla_b, delta_nabla_b)]
 # 把返回的對b偏導數累加到nabla_b中

 nabla_w = [nw+dnw for nw, dnw in zip(nabla_w, delta_nabla_w)]
 # 把返回的對w的偏導數累加到nabla_w中

    self.weights = [w-(eta/len(mini_batch))*nw
  for w, nw in zip(self.weights, nabla_w)]
    # 計算完一個batch后更新參數w

    self.biases = [b-(eta/len(mini_batch))*nb
 for b, nb in zip(self.biases, nabla_b)]
    # 更新b
...
 def backprop(self, x, y):
    # 輸入是x和y,返回損失函數C對每個參數w和b的偏導數
    # 返回的格式是兩個元組,第一個是b的偏導數,第二個是w的。
    nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases]
    # 構造和self.biases一樣大小的向量,比如前面的例子 sizes=[784,30,10],則
    # nabla_b是兩個向量,大小分別是30和10

    nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights]
    # 構造和self.weights一樣大小的矩陣,比如前面的例子 sizes=[784,30,10],則
    # nabla_w是兩個矩陣,大小分別是30*784和10*30

    # feedforward
    activation = x
    activations = [x] # 用一個list保存所有層的激活,下面backward會有用的
    zs = [] # 同樣的用一個list保存所有層的加權累加和z,下面也會用到。

    #下面這段代碼在feedward也有,不過那里是用來predict用的不需要保存zs和activations
    for b, w in zip(self.biases, self.weights):
 z = np.dot(w, activation)+b
 zs.append(z)
 activation = sigmoid(z)
 activations.append(activation)

   # backward pass
  #1. 首先計算最后一層的錯誤delta,根據公式BP1,它是損失函數對a_L的梯度乘以σ'(z_L)
    #  sigmoid_prime就是σ'(z_L),而∂C/∂a_L就是函數cost_derivative,對于MSE的損失函數,
    #  它就是最后一層的激活activations[-1] - y
    delta = self.cost_derivative(activations[-1], y) * \
 sigmoid_prime(zs[-1])
    # 2. 根據公式BP3,損失對b的偏導數就是delta
    nabla_b[-1] = delta
    # 3. 根據公式BP4,損失對w的偏導數時delta_out * activation_in
    #  注意,我們的公式BP4是elementwise的,我們需要寫成矩陣向量的形式
    #  那怎么寫呢?我們只需要關心矩陣的大小就行了。
    #  假設最后一層有m(10)個神經元,前一層有n(30)個,
    #  則delta是10*1, 倒數第二層的激活activations[-2]是30*1
    #  我們想求的最后一層的參數nabla_w[-1]是10*30,那么為了能夠正確的矩陣乘法,
    #  只要一種可能就是 delta 乘以 activations[-2]的轉置,其實也就是向量delta和activations[-2]的外積
    nabla_w[-1] = np.dot(delta, activations[-2].transpose())

    # 接下來從倒數第二層一直往前計算delta,同時也把對w和b的偏導數求出來。
    # 這里用到一個比較小的trick就是python的下標是支持負數的,-1表示最后一個元素,-2是倒數第二個
    # l表示倒數第l層,2就表示倒數第2層,num_layers - 1就表示順數第2層(也就是第1個隱層)
    # 比如我們的例子:sizes=[784, 30, 10],那么l就是從2到3(不包含3),l就只能是2,頁就是第1個(也是唯一的一
    # 個)隱層   
    for l in xrange(2, self.num_layers):
 # 倒數第l層的z
 z = zs[-l]
 # 計算σ'(z_l)
 sp = sigmoid_prime(z)
 # 根據BP2,計算delta_l,注意weights[-l+1]表示倒數第l層的下一層
 delta = np.dot(self.weights[-l+1].transpose(), delta) * sp
 # 同上,根據BP3
 nabla_b[-l] = delta
 # BP4,矩陣乘法參考前面的說明
 nabla_w[-l] = np.dot(delta, activations[-l-1].transpose())
    return (nabla_b, nabla_w)
  2.2.7為什么反向傳播算法是一個高效的算法?
  分析完代碼,我們發(fā)現一次backprop函數調用需要feedforward一次,網絡有多少邊,就有多少次乘法,有多少個點就有多少次加分和激活函數計算(不算第一層輸入層)。反向計算也是一樣,不過是從后往前。也就是說這是時間復雜度為O(n)的算法。
  如果我們不用反向傳播算法,假設我們用梯度的定義計算數值梯度。對于每一個參數wj,
  我們都用公式limit(f(w1,w2,…,wj+Δwj,…)-f(w1,w2,…,wj,…)/Δwj
  f(w1,w2,wj,…)只需要feedforward一次,但是對于每個參數wj,都需要feedforward一層來計算f(w1,w2,…,wj+Δwj,…),它的時間復雜度是O(n),那么對所有的參數的計算需要O(n^2)的時間復雜度。
  假設神經網絡有1百萬個參數,那么每次需要10^12這個數量級的運算,而反向傳播算法只需要10^6,因此這個方法比反向傳播算法要慢1百萬倍。

專題