CNN卷积神经网络之反向传播过程

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了CNN卷积神经网络之反向传播过程。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1. 正向传播过程

1.1 卷积层-卷积运算

我们假设卷积运算如下(其中couv代表卷积运算,w是卷集核的数据,卷积核为2*2,b为偏置数)。建设上一层输出的特征图是 3 ∗ 3 3*3 33,经过卷积运算以及加上偏置结果如下:
[ a 11 l − 1 a 12 l − 1 a 13 l − 1 a 21 l − 1 a 22 l − 1 a 23 l − 1 a 31 l − 1 a 32 l − 1 a 33 l − 1 ] c o u v [ w 11 l w 12 l w 21 l w 22 l ] + [ b 11 l b 12 l b 21 l b 22 l ] = [ z 11 l z 12 l z 21 l z 22 l ] (1) \begin{bmatrix} a_{11}^{l-1} & a_{12}^{l-1} & a_{13}^{l-1} \\ a_{21}^{l-1} & a_{22}^{l-1} & a_{23}^{l-1} \\ a_{31}^{l-1} & a_{32}^{l-1} & a_{33}^{l-1} \\ \end{bmatrix} couv \begin{bmatrix} w_{11}^{l}& w_{12}^{l}\\ w_{21}^{l}& w_{22}^{l}\\ \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} b_{11}^{l}& b_{12}^{l}\\ b_{21}^{l}& b_{22}^{l}\\ \end{bmatrix} =\begin{bmatrix} z_{11}^{l}& z_{12}^{l}\\ z_{21}^{l}& z_{22}^{l}\\ \end{bmatrix} \tag{1} a11l1a21l1a31l1a12l1a22l1a32l1a13l1a23l1a33l1 couv[w11lw21lw12lw22l]+[b11lb21lb12lb22l]=[z11lz21lz12lz22l](1)

其中 y ^ \hat y y^代表预测值(对输出的值经过激活函数的结果):
y ^ = σ ( z l ) (2) \hat y = \sigma (z^{l}) \tag{2} y^=σ(zl)(2)

1.2 池化层-向下采样

池化有平均池化和最大池化,这里以平均池化为例子。即将原始矩阵按照指定的大小比例进行缩放。将原始矩阵缩小到一个更小的尺寸,通过将相邻元素的值进行平均来得到新的缩放后的矩阵
m a t r i x = [ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ] matrix = \left[\begin {array}{c} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 5 & 6 & 7 & 8 \\ 9 & 10 & 11 & 12 \\ 13 & 14 & 15 & 16 \\ \end{array}\right] matrix= 15913261014371115481216
设置池化层大小为 2 ∗ 2 2*2 22,则 4 ∗ 4 4*4 44的矩阵经过池化层后输出的矩阵大小为 2 ∗ 2 2*2 22

  • 对于第一行第一列的元素:计算原始矩阵中小区域 {(0, 0), (0, 1), (1, 0), (1, 1)} 内元素的平均值:(1 + 2 + 5 + 6) / 4 = 3.5,将其赋值给 scaledMatrix[0][0]。
  • 最终的矩阵
    [ 3.5 5.5 11.5 13.5 ] \left[\begin {array}{c} 3.5 & 5.5 \\ 11.5 & 13.5\\ \end{array}\right] [3.511.55.513.5]

2. 输出层误差项

输出层的误差项通过损失函数相对于输出的梯度来计算

2.1 损失函数

  • 均方误差(MSE),适用于回归问题
    M S E = 1 n ∑ i = 1 n ( y i ^ − y i ) 2 MSE=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}(\hat{y_{i}} - y_{i})^{2} MSE=n1i=1n(yi^yi)2
    y i y_i yi是真实的值; y i ^ \hat{y_{i}} yi^是预测值
  • 交叉熵损失 适用于分类问题
    C r o s s − e n t r o p y l o s s = − ∑ i = 1 n y i log ⁡ ( y i ^ ) Cross-entropy loss = -\sum_{i=1}^{n}y_{i}\log(\hat{y_{i}}) Crossentropyloss=i=1nyilog(yi^)

2.2 误差项推导过程

为了方便计算,我们选择的损失函数为MSE,n去2; y i y_i yi是真实的值; y i ^ \hat{y_{i}} yi^是预测值,则损失函数 J J J则表示为:
J = 1 2 ( y i ^ − y i ) 2 (3) J = \frac{1}{2}(\hat{y_{i}} - y_{i})^{2} \tag{3} J=21(yi^yi)2(3)
我们由(2)知道 y i ^ \hat{y_{i}} yi^的表达式,所以 计算损失函数对于输出层的加权输入 z l z^{l} zl的偏导数(这里采用了链式法则)
∂ J ∂ z l = ∂ J ∂ y ^ ⋅ ∂ y ^ ∂ z l (4) \frac{\partial J}{\partial z^l}=\frac{\partial J}{\partial \hat y}\cdot \frac{\partial \hat y}{\partial z^l} \tag{4} zlJ=y^Jzly^(4)
而在这个公式中 ∂ J ∂ y ^ \frac{\partial J}{\partial \hat y} y^J可以计算出,我们 J J J是用的均方误差函数
∂ J ∂ y ^ = y ^ − y (5) \frac{\partial J}{\partial \hat y}=\hat{y} - y \tag{5} y^J=y^y(5)
所以输出层的误差项通过损失函数相对于输出的梯度
δ l = ∂ J ∂ z l = ( y ^ − y ) ⋅ σ ′ ( z l ) (6) \delta^{l} =\frac{\partial J}{\partial z^l}=(\hat{y} - y)\cdot \sigma ' (z^{l}) \tag{6} δl=zlJ=y^y)σ(zl)(6)

假设这里用的激活函数是sigmod函数
∂ y ^ ∂ z l = σ ′ ( z l ) = σ ( z l ) ⋅ ( 1 − σ ( z l ) ) (7) \frac{\partial \hat y}{\partial z^l}=\sigma ' (z^{l})=\sigma (z^{l})\cdot (1-\sigma (z^{l}))\tag{7} zly^=σ(zl)=σ(zl)(1σ(zl))(7)

∂ J ∂ z l = ( y ^ − y ) ⋅ σ ′ ( z l ) = ( y ^ − y ) ⋅ σ ( z l ) ⋅ ( 1 − σ ( z l ) ) (8) \frac{\partial J}{\partial z^l}=(\hat{y} - y)\cdot\sigma ' (z^{l})=(\hat{y} - y)\cdot\sigma (z^{l})\cdot (1-\sigma (z^{l}))\tag{8} zlJ=(y^y)σ(zl)=(y^y)σ(zl)(1σ(zl))(8)

3. 已知卷积层的误差,推上一层(反卷积)

3.1 池化层的误差项

假设我们的卷积层为 δ l \delta^{l} δl,推上一层池化层 δ l − 1 \delta^{l-1} δl1,我们要结合卷积层误差项 δ l \delta^l δl去推上一层的误差项。

3.1.1 推导过程

在卷积层中,我们卷积计算后还需要进行激活函数处理。例如公式(2)表达式,我们进一步细化这个公式:
y ^ = a l = σ ( z L ) = σ ( a l − 1 ∗ W l + b l ) (9) \hat y=a^{l} =\sigma(z^L)=\sigma(a^{l-1}*W^l + b^l) \tag{9} y^=al=σ(zL)=σ(al1Wl+bl)(9)
∂ y ^ ∂ z l = ∂ a l ∂ z l = σ ′ ( z L ) (10) \frac{\partial \hat y}{\partial z^l}=\frac{\partial a^l}{\partial z^l}=\sigma ' (z^L) \tag{10} zly^=zlal=σ(zL)(10)
δ l − 1 \delta^{l-1} δl1的误差项:
δ l − 1 = ∂ J ∂ z l − 1 (链式法则去化解) = ∂ J ∂ z l ⋅ ∂ z l ∂ z l − 1 = δ l ⋅ ∂ z l ∂ a l − 1 ⋅ ∂ a l − 1 ∂ z l − 1 = δ l ⋅ ∂ z l ∂ a l − 1 ⋅ σ ′ ( z l − 1 ) (11) \begin{equation} \begin{split} \delta^{l-1}& =\frac{\partial J}{\partial z^{l-1}} \text{(链式法则去化解)} \\ & =\frac{\partial J}{\partial z^{l}} \cdot \frac{\partial z^{l}}{\partial z^{l-1}}\\ & =\delta^{l}\cdot \frac{\partial z^{l}}{\partial a^{l-1}}\cdot \frac{\partial a^{l-1}}{\partial z^{l-1}}\\ &=\delta^{l}\cdot \frac{\partial z^{l}}{\partial a^{l-1}}\cdot \sigma ' (z^{l-1}) \end{split} \end{equation} \tag{11} δl1=zl1J(链式法则去化解)=zlJzl1zl=δlal1zlzl1al1=δlal1zlσ(zl1)(11)
这是我们来单独看这里面的一些符号:

  • ∂ z l ∂ a l − 1 \frac{\partial z^{l}}{\partial a^{l-1}} al1zl
    我们知道如下公式不难得出:(可以参考卷积层卷积运算公式)
    z l = w l ⋅ a l − 1 + b l (12) z^{l}=w^l\cdot a^{l-1} + b^l \tag{12} zl=wlal1+bl(12)
    那对公式12求导则
    ∂ z l ∂ a l − 1 = w l (13) \frac{\partial z^{l}}{\partial a^{l-1}} = w^l \tag{13} al1zl=wl(13)
  • δ l ⋅ ∂ z l ∂ a l − 1 \delta^{l}\cdot \frac{\partial z^{l}}{\partial a^{l-1}} δlal1zl他们之间有啥关联吗?
    ∇ a = δ l ⋅ ∂ z l ∂ a l − 1 (链式法则) = δ l ⋅ w l = ∂ J ∂ z l ⋅ ∂ z l ∂ a l − 1 = ∂ J ∂ a l − 1 (14) \begin{equation} \begin{split} \nabla a & = \delta^{l}\cdot \frac{\partial z^{l}}{\partial a^{l-1}} \text{(链式法则)} \\ & = \delta^{l}\cdot w^{l}\\ & =\frac{\partial J}{\partial z^{l}}\cdot\frac{\partial z^{l}}{\partial a^{l-1}}\\ &=\frac{\partial J}{\partial a^{l-1}} \end{split} \end{equation} \tag{14} a=δlal1zl(链式法则)=δlwl=zlJal1zl=al1J(14)
    从这个公式知道 ∇ a \nabla a a代表损失函数 J J J关于 a l − 1 a^{l-1} al1的导数,即我们每个矩阵值的误差项。我们根据损失函数的变化情况来更新网络的参数,从而优化网络的性能。梯度下降算法。
  • 结合 ∇ a \nabla a a来尝试计算卷积层的误差项,会有什么规律
    我们根据文章上面卷积层-卷积运算的例子来细化每一个z的取值
    z 11 = a 11 ⋅ w 11 + a 12 ⋅ w 12 + a 21 ⋅ w 21 + a 22 ⋅ w 22 + b 11 z 12 = a 12 ⋅ w 11 + a 13 ⋅ w 12 + a 22 ⋅ w 21 + a 23 ⋅ w 22 + b 12 z 21 = a 21 ⋅ w 11 + a 22 ⋅ w 12 + a 31 ⋅ w 21 + a 32 ⋅ w 22 + b 21 z 22 = a 22 ⋅ w 11 + a 23 ⋅ w 12 + a 32 ⋅ w 21 + a 33 ⋅ w 22 + b 22 (15) z_{11} = a_{11} \cdot w_{11} + a_{12} \cdot w_{12} + a_{21} \cdot w_{21} + a_{22} \cdot w_{22} + b_{11} \\ z_{12} = a_{12} \cdot w_{11} + a_{13} \cdot w_{12} + a_{22} \cdot w_{21} + a_{23} \cdot w_{22} + b_{12} \\ z_{21} = a_{21} \cdot w_{11} + a_{22} \cdot w_{12} + a_{31} \cdot w_{21} + a_{32} \cdot w_{22} + b_{21} \\ z_{22} = a_{22} \cdot w_{11} + a_{23} \cdot w_{12} + a_{32} \cdot w_{21} + a_{33} \cdot w_{22} + b_{22} \tag{15} z11=a11w11+a12w12+a21w21+a22w22+b11z12=a12w11+a13w12+a22w21+a23w22+b12z21=a21w11+a22w12+a31w21+a32w22+b21z22=a22w11+a23w12+a32w21+a33w22+b22(15)
    根据公式(15)得出 ∇ a \nabla a a他们的每个的具体误差项
    ∇ a 11 = ∂ J ∂ z 11 ⋅ ∂ z 11 ∂ a 11 = δ 11 ⋅ w 11 ∇ a 12 = ∂ J ∂ z 12 ⋅ ∂ z 12 ∂ a 12 + ∂ J ∂ z 11 ⋅ ∂ z 11 ∂ a 12 = δ 12 ⋅ w 11 + δ 11 ⋅ w 12 ∇ a 13 = ∂ J ∂ z 12 ⋅ ∂ z 12 ∂ a 13 = δ 12 ⋅ w 12 ∇ a 21 = ∂ J ∂ z 11 ⋅ ∂ z 11 ∂ a 21 + ∂ J ∂ z 21 ⋅ ∂ z 21 ∂ a 21 = δ 11 ⋅ w 21 + δ 21 ⋅ w 11 ∇ a 22 = ∂ J ∂ z 11 ⋅ ∂ z 11 ∂ a 22 + ∂ J ∂ z 12 ⋅ ∂ z 12 ∂ a 22 + ∂ J ∂ z 21 ⋅ ∂ z 21 ∂ a 22 + ∂ J ∂ z 22 ⋅ ∂ z 22 ∂ a 22 = δ 11 ⋅ w 22 + δ 12 ⋅ w 21 + δ 21 ⋅ w 12 + δ 22 ⋅ w 11 ∇ a 23 = ∂ J ∂ z 12 ⋅ ∂ z 12 ∂ a 23 + ∂ J ∂ z 22 ⋅ ∂ z 22 ∂ a 23 = δ 12 ⋅ w 22 + δ 22 ⋅ w 12 ∇ a 31 = ∂ J ∂ z 21 ⋅ ∂ z 21 ∂ a 31 = δ 21 ⋅ w 21 ∇ a 32 = ∂ J ∂ z 21 ⋅ ∂ z 21 ∂ a 32 + ∂ J ∂ z 22 ⋅ ∂ z 22 ∂ a 32 = δ 21 ⋅ w 22 + δ 22 ⋅ w 21 ∇ a 33 = ∂ J ∂ z 22 ⋅ ∂ z 22 ∂ a 33 = δ 22 ⋅ w 22 \begin{equation} \begin{split} & \nabla a_{11} =\frac{\partial J}{\partial z_{11}} \cdot \frac{\partial z_{11}}{\partial a_{11}}= \delta_{11}\cdot w_{11} \\ & \nabla a_{12} =\frac{\partial J}{\partial z_{12}} \cdot \frac{\partial z_{12}}{\partial a_{12}} + \frac{\partial J}{\partial z_{11}} \cdot \frac{\partial z_{11}}{\partial a_{12}} = \delta_{12}\cdot w_{11} + \delta_{11}\cdot w_{12}\\ & \nabla a_{13} =\frac{\partial J}{\partial z_{12}} \cdot \frac{\partial z_{12}}{\partial a_{13}} =\delta_{12}\cdot w_{12}\\ & \nabla a_{21} =\frac{\partial J}{\partial z_{11}} \cdot \frac{\partial z_{11}}{\partial a_{21}} + \frac{\partial J}{\partial z_{21}} \cdot \frac{\partial z_{21}}{\partial a_{21}} = \delta_{11}\cdot w_{21} + \delta_{21}\cdot w_{11}\\ & \nabla a_{22} =\frac{\partial J}{\partial z_{11}} \cdot \frac{\partial z_{11}}{\partial a_{22}} + \frac{\partial J}{\partial z_{12}} \cdot \frac{\partial z_{12}}{\partial a_{22}} + \frac{\partial J}{\partial z_{21}} \cdot \frac{\partial z_{21}}{\partial a_{22}}+ \frac{\partial J}{\partial z_{22}} \cdot \frac{\partial z_{22}}{\partial a_{22}}= \delta_{11} \cdot w_{22} + \delta_{12}\cdot w_{21} + \delta_{21}\cdot w_{12} + \delta_{22}\cdot w_{11}\\ & \nabla a_{23} =\frac{\partial J}{\partial z_{12}} \cdot \frac{\partial z_{12}}{\partial a_{23}} + \frac{\partial J}{\partial z_{22}} \cdot \frac{\partial z_{22}}{\partial a_{23}} = \delta_{12}\cdot w_{22} + \delta_{22}\cdot w_{12}\\ & \nabla a_{31} =\frac{\partial J}{\partial z_{21}} \cdot \frac{\partial z_{21}}{\partial a_{31}} = \delta_{21}\cdot w_{21} \\ &\nabla a_{32} =\frac{\partial J}{\partial z_{21}} \cdot \frac{\partial z_{21}}{\partial a_{32}} + \frac{\partial J}{\partial z_{22}} \cdot \frac{\partial z_{22}}{\partial a_{32}} = \delta_{21}\cdot w_{22} + \delta_{22}\cdot w_{21} \\ &\nabla a_{33} =\frac{\partial J}{\partial z_{22}} \cdot \frac{\partial z_{22}}{\partial a_{33}} = \delta_{22}\cdot w_{22} \\ \end{split} \end{equation} a11=z11Ja11z11=δ11w11a12=z12Ja12z12+z11Ja12z11=δ12w11+δ11w12a13=z12Ja13z12=δ12w12a21=z11Ja21z11+z21Ja21z21=δ11w21+δ21w11a22=z11Ja22z11+z12Ja22z12+z21Ja22z21+z22Ja22z22=δ11w22+δ12w21+δ21w12+δ22w11a23=z12Ja23z12+z22Ja23z22=δ12w22+δ22w12a31=z21Ja31z21=δ21w21a32=z21Ja32z21+z22Ja32z22=δ21w22+δ22w21a33=z22Ja33z22=δ22w22
    把这个转换为卷积运算:
    [ ∇ a 11 ∇ a 12 ∇ a 13 ∇ a 21 ∇ a 22 ∇ a 23 ∇ a 31 ∇ a 32 ∇ a 33 ] = [ δ 11 ⋅ w 11 δ 12 ⋅ w 11 + δ 11 ⋅ w 12 δ 12 ⋅ w 12 δ 11 ⋅ w 21 + δ 21 ⋅ w 11 δ 11 ⋅ w 22 + δ 12 ⋅ w 21 + δ 21 ⋅ w 12 + δ 22 ⋅ w 11 δ 12 ⋅ w 22 + δ 22 ⋅ w 12 δ 21 ⋅ w 21 δ 21 ⋅ w 22 + δ 22 ⋅ w 21 δ 22 ⋅ w 22 ] \begin{bmatrix} \nabla a_{11} & \nabla a_{12} & \nabla a_{13} \\ \nabla a_{21} & \nabla a_{22} & \nabla a_{23} \\ \nabla a_{31} & \nabla a_{32} & \nabla a_{33} \\ \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} \delta_{11}\cdot w_{11} & \delta_{12}\cdot w_{11} + \delta_{11}\cdot w_{12} & \delta_{12}\cdot w_{12} \\ \delta_{11}\cdot w_{21} + \delta_{21}\cdot w_{11} & \delta_{11} \cdot w_{22} + \delta_{12}\cdot w_{21} + \delta_{21}\cdot w_{12} + \delta_{22}\cdot w_{11} & \delta_{12}\cdot w_{22} + \delta_{22}\cdot w_{12} \\ \delta_{21}\cdot w_{21} & \delta_{21}\cdot w_{22} + \delta_{22}\cdot w_{21} & \delta_{22}\cdot w_{22} \\ \end{bmatrix} a11a21a31a12a22a32a13a23a33 = δ11w11δ11w21+δ21w11δ21w21δ12w11+δ11w12δ11w22+δ12w21+δ21w12+δ22w11δ21w22+δ22w21δ12w12δ12w22+δ22w12δ22w22

[ 0 0 0 0 0 δ 11 δ 12 0 0 δ 21 δ 22 0 0 0 0 0 ] c o n v [ w 22 w 21 w 12 w 11 ] = [ δ 11 ⋅ w 11 δ 12 ⋅ w 11 + δ 11 ⋅ w 12 δ 12 ⋅ w 12 δ 11 ⋅ w 21 + δ 21 ⋅ w 11 δ 11 ⋅ w 22 + δ 12 ⋅ w 21 + δ 21 ⋅ w 12 + δ 22 ⋅ w 11 δ 12 ⋅ w 22 + δ 22 ⋅ w 12 δ 21 ⋅ w 21 δ 21 ⋅ w 22 + δ 22 ⋅ w 21 δ 22 ⋅ w 22 ] \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \delta_{11} & \delta_{12} & 0 \\ 0 & \delta_{21} & \delta_{22}& 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix} conv \begin{bmatrix} w_{22}& w_{21}\\ w_{12}& w_{11}\\ \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} \delta_{11}\cdot w_{11} & \delta_{12}\cdot w_{11} + \delta_{11}\cdot w_{12} & \delta_{12}\cdot w_{12} \\ \delta_{11}\cdot w_{21} + \delta_{21}\cdot w_{11} & \delta_{11} \cdot w_{22} + \delta_{12}\cdot w_{21} + \delta_{21}\cdot w_{12} + \delta_{22}\cdot w_{11} & \delta_{12}\cdot w_{22} + \delta_{22}\cdot w_{12} \\ \delta_{21}\cdot w_{21} & \delta_{21}\cdot w_{22} + \delta_{22}\cdot w_{21} & \delta_{22}\cdot w_{22} \\ \end{bmatrix} 00000δ11δ2100δ12δ2200000 conv[w22w12w21w11]= δ11w11δ11w21+δ21w11δ21w21δ12w11+δ11w12δ11w22+δ12w21+δ21w12+δ22w11δ21w22+δ22w21δ12w12δ12w22+δ22w12δ22w22

3.1.2 误差项表示

即卷积层的误差项是上一层池化层的误差项与卷积核大小旋转180度的卷积运算。即进一步蒋公式11化解:(其中池化层没有激活函数,或者可以理解 δ ( x ) = x \delta (x) = x δ(x)=x 求导就为1)
δ l − 1 = δ l ⋅ ∂ z l ∂ a l − 1 ⋅ σ ′ ( z l − 1 ) = δ l c o n v ( r o t 189 ( w l ) ) ⋅ σ ′ ( z l − 1 ) (16) \delta^{l-1} =\delta^{l}\cdot \frac{\partial z^{l}}{\partial a^{l-1}}\cdot \sigma ' (z^{l-1})= \delta^{l} conv ( rot189(w^l))\cdot \sigma ' (z^{l-1}) \tag{16} δl1=δlal1zlσ(zl1)=δlconv(rot189(wl))σ(zl1)(16)

3.2 推导W和b的梯度

3.2.1 推导过程

我们知道这是对矩阵特征值的误差项,
δ l − 1 = ∂ J ∂ z l − 1 \delta^{l-1} =\frac{\partial J}{\partial z^{l-1}} δl1=zl1J
同理对 W W W的梯度为:
∂ J ∂ W l = ∂ J ∂ z l ⋅ ∂ z l ∂ W l = δ l ∂ z l ∂ W l (17) \frac{\partial J}{\partial W^{l}} = \frac{\partial J}{\partial z^{l}} \cdot \frac{\partial z^{l}}{\partial W^{l}} = \delta^{l}\frac{\partial z^{l}}{\partial W^{l}} \tag{17} WlJ=zlJWlzl=δlWlzl(17)
同理计算机 ∇ a \nabla a a,我们也可以计算出W的梯度: ∇ W \nabla W W 如:
∇ W 11 = ∂ J ∂ z 11 ⋅ ∂ z 11 ∂ W 11 + ∂ J ∂ z 12 ⋅ ∂ z 12 ∂ W 11 + ∂ J ∂ z 21 ⋅ ∂ z 21 ∂ W 11 + ∂ J ∂ z 22 ⋅ ∂ z 22 ∂ W 11 = δ 11 a 11 + δ 12 a 12 + δ 21 a 21 + δ 22 a 22 \nabla W _{11} =\frac{\partial J}{\partial z_{11}} \cdot \frac{\partial z_{11}}{\partial W_{11}} + \frac{\partial J}{\partial z_{12}} \cdot \frac{\partial z_{12}}{\partial W_{11}} + \frac{\partial J}{\partial z_{21}} \cdot \frac{\partial z_{21}}{\partial W_{11}} + \frac{\partial J}{\partial z_{22}} \cdot \frac{\partial z_{22}}{\partial W_{11}}= \delta _{11} a_{11} + \delta _{12} a_{12} + \delta _{21} a_{21} +\delta _{22} a_{22} W11=z11JW11z11+z12JW11z12+z21JW11z21+z22JW11z22=δ11a11+δ12a12+δ21a21+δ22a22
同理 ∇ W 12 , ∇ W 21 , ∇ W 22 \nabla W _{12}, \nabla W _{21},\nabla W _{22} W12,W21,W22
[ ∇ W 11 ∇ W 12 ∇ W 21 ∇ W 22 ] = [ a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 ] c o n v [ δ 11 δ 12 δ 21 δ 22 ] (18) \begin{bmatrix} \nabla W _{11} & \nabla W _{12} \\ \nabla W _{21} & \nabla W _{22} \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \\ \end{bmatrix} conv \begin{bmatrix} \delta _{11} & \delta _{12} \\ \delta _{21} & \delta _{22} \\ \end{bmatrix} \tag{18} [W11W21W12W22]= a11a21a31a12a22a32a13a23a33 conv[δ11δ21δ12δ22](18)

3.2.2 误差项表示

故权重的误差项为:
∂ J ∂ W l = a l − 1 c o n v ( δ l ) (19) \frac{\partial J}{\partial W^{l}} = a^{l-1} conv (\delta^{l}) \tag{19} WlJ=al1conv(δl)(19)

3.2.3 偏执项b的误差

∂ J ∂ b l = ∑ u v ( δ l ) u v (20) \frac{\partial J}{\partial b^{l}} = \sum _{uv}(\delta^{l})_{uv} \tag{20} blJ=uv(δl)uv(20)

4. 已知卷积层误差,推上一层误差(反池化)

在cnn中,池化层主要是缩放矩阵,在正向传播中,主要进行向下采样,在反向传播中,我们是倒着回去,应该向上采样来填充误差项。
在池化层,没有经过激活函数的,池化层主要有两种方法:最大池化层和平均池化层。假设我们把池化层误差项标记为: δ l \delta^l δl

4.1 平均池化层的误差项

假设池化层是将88的矩阵进行缩放,输出的特征图是44:
平均池化: [ 1 2 8 4 ] 反向传播 → [ 0.25 0.25 0.5 0.5 0.25 0.25 0.5 0.5 2 2 1 1 2 2 1 1 ] 平均池化:\begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 8 & 4 \\ \end{bmatrix}\underrightarrow{反向传播} \begin{bmatrix} 0.25 & 0.25 & 0.5 & 0.5\\ 0.25 & 0.25 & 0.5 & 0.5 \\ 2 & 2 & 1 & 1 \\ 2 & 2 & 1 & 1 \\ \end{bmatrix} 平均池化:[1824] 反向传播 0.250.25220.250.25220.50.5110.50.511

4.2 最大池化层的误差项

最大池化在进行反向传播的时候,就需要把最大值放在之前做前向传播算法得到最大值的位置。(这里在进行卷积运算就要记录最大值的原始位置。)
最大池化: [ 1 2 8 4 ] 反向传播 → [ 1 0 0 0 0 0 2 0 0 8 0 0 0 0 4 0 ] 最大池化:\begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 8 & 4 \\ \end{bmatrix}\underrightarrow{反向传播} \begin{bmatrix} 1& 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 2 & 0\\ 0 & 8 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 4 & 0 \\ \end{bmatrix} 最大池化:[1824] 反向传播 1000008002040000 文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-640257.html

到了这里,关于CNN卷积神经网络之反向传播过程的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处: 如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请点击违法举报进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

领支付宝红包 赞助服务器费用

相关文章

  • 理解卷积神经网络(CNN)

    卷积神经网络(CNN)是一种专为处理具有类似网格结构的数据(如图像)而设计的深度学习架构。自从在图像处理和计算机视觉领域取得突破性成就以来,CNN已成为这些领域的核心技术之一。 CNN的起源与发展 CNN的概念最初是受到生物视觉感知机制的启发而提出的。早期的研

    2024年03月10日
    浏览(56)
  • 聊聊卷积神经网络CNN

    卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)是一种被广泛应用于图像识别、语音识别和自然语言处理等领域的深度学习模型。与RNN、Transformer模型组成AI的三大基石。 在卷积神经网络中,相比较普通的神经网络,增加了卷积层(Convolution)和池化层(Pooling)。其结构一般将会是如下

    2024年02月05日
    浏览(30)
  • 深度学习|CNN卷积神经网络

    在CNN没有出现前,图像对人工智能来说非常难处理。 主要原因: 图像要处理的数据量太大了。图像由像素组成,每个像素又由不同颜色组成,一张1000×1000彩色RGB图像需要的参数是1000×1000×3,需要三百万参数左右,普通神经网络会全用全连接方法来学习整幅图像上的特征,处

    2024年02月11日
    浏览(35)
  • 十、CNN卷积神经网络实战

    输入样本通道数4、期待输出样本通道数2、卷积核大小3×3 具体卷积层的构建可参考博文:八、卷积层 设定卷积层 torch.nn.Conv2d(in_channels=in_channel,out_channels=out_channel,kernel_size=kernel_size,padding=1,stride=1) 必要参数:输入样本通道数 in_channels 、输出样本通道数 out_channels 、卷积核大小

    2023年04月09日
    浏览(37)
  • 深度学习——CNN卷积神经网络

    卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)是一种深度学习中常用于处理具有网格结构数据的神经网络模型。它在计算机视觉领域广泛应用于图像分类、目标检测、图像生成等任务。 CNN 的核心思想是通过利用局部感知和参数共享来捕捉输入数据的空间结构信息。相比于传统

    2024年02月15日
    浏览(35)
  • 什么是 CNN? 卷积神经网络? 怎么用 CNN 进行分类?(1)

    先看卷积是啥,url: https://www.bilibili.com/video/BV1JX4y1K7Dr/?spm_id_from=333.337.search-card.all.clickvd_source=7a1a0bc74158c6993c7355c5490fc600 下面这个式子就是卷积 看完了,感觉似懂非懂 下一个参考视频:https://www.youtube.com/watch?v=E5Z7FQp7AQQlist=PLuhqtP7jdD8CD6rOWy20INGM44kULvrHu 视频1:简单介绍卷积神经网络

    2024年02月08日
    浏览(33)
  • 什么是 CNN? 卷积神经网络? 怎么用 CNN 进行分类?(2)

    参考视频:https://www.youtube.com/watch?v=E5Z7FQp7AQQlist=PLuhqtP7jdD8CD6rOWy20INGM44kULvrHu 视频4:CNN 中 stride 的概念 如上图,stride 其实就是 ”步伐“ 的概念。 默认情况下,滑动窗口一次移动一步。而当 stride = 2 时,则一次移动两步,垂直移动和水平移动都是。 当我们提高 stride 的值的时

    2024年02月06日
    浏览(27)
  • 什么是 CNN? 卷积神经网络? 怎么用 CNN 进行分类?(3)

    参考视频:https://www.youtube.com/watch?v=E5Z7FQp7AQQlist=PLuhqtP7jdD8CD6rOWy20INGM44kULvrHu 视频7:CNN 的全局架构 卷积层除了做卷积操作外,还要加上 bias ,再经过非线性的函数,这么做的原因是 “scaled properly” 通常滑动窗口(filter) 不止一个,如下图 如下图是一个 CNN 的全部流程 如上图,

    2024年02月06日
    浏览(27)
  • 卷积神经网络CNN的经典模型

    ILSVRC是一项基于 ImageNet 数据库的国际大规模视觉识别挑战赛(ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge,ILSVRC) (1)1958年,Rosenblatt发明了感知机。用于对输入的多维数据进行二分类且能够使用梯度下降法自动更新权值。 缺点:只能处理线性分类问题。 (2)1986年,Geoffrey Hi

    2024年02月07日
    浏览(28)
  • 深度学习03-卷积神经网络(CNN)

    CNN,即卷积神经网络(Convolutional Neural Network),是一种常用于图像和视频处理的深度学习模型。与传统神经网络相比,CNN 有着更好的处理图像和序列数据的能力,因为它能够自动学习图像中的特征,并提取出最有用的信息。 CNN 的一个核心特点是卷积操作,它可以在图像上进

    2024年02月05日
    浏览(57)

觉得文章有用就打赏一下文章作者

支付宝扫一扫打赏

博客赞助

微信扫一扫打赏

请作者喝杯咖啡吧~博客赞助

支付宝扫一扫领取红包,优惠每天领

二维码1

领取红包

二维码2

领红包