京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
详解反向传播算法
反向传播算法(Backpropagation)已经是神经网络模型进行学习的标配。但是有很多问题值得思考一下:
反向传播算法的作用是什么? 神经网络模型的学习算法一般是SGD。SGD需要用到损失函数C关于各个权重参数
的偏导数
。一个模型的参数w,b是非常多的,故而需要反向传播算法快速计算
。也就是说反向传播算法是一种计算偏导数的方法。
为什么要提出反向传播算法? 在反向传播算法提出之前人们应该想到了使用SGD学习模型,也想到了一些办法求解网络模型的偏导数,但这些算法求解效率比较低,所以提出反向传播算法来更高效的计算偏导数。(那时的网络模型还比较浅只有2-3层,参数少。估计即便不适用反向传播这种高效的算法也能很好的学习。一旦有人想使用更深的网络自然会遇到这个偏导数无法高效计算的问题,提出反向传播也就势在必行了)
反向传播怎么样实现高效计算偏导数的? 请先回顾一下当初我们学习微积分时是如何计算偏导数的? (链式法则,具体看下面)
1 用计算图来解释几种求导方法:
1.1 计算图
式子
可以用如下计算图表达:
令a=2,b=1则有:
如何在计算图上表达“求导”呢? 导数的含义是 因变量随自变量的变化率,例如
表示当x变化1个单位,y会变化3个单位。 微积分中已经学过:加法求导法则是
乘法求导法则是
。
我们在计算图的边上表示导数或偏导数:
如下图
那么
如何求呢?
告诉我们1个单位的b变化会引起1个单位的c变换,
告诉我们 1 个单位的c变化会引起2个单位的e变化。所以
吗?
答案必然是错误。因为这样做只考虑到了下图橙色的路径,所有的路径都要考虑:
所以上面的求导方法总结为一句话就是: 路径上所有边相乘,所有路径相加。不过这里需要补充一条很有用的合并策略:
例如:下面的计算图若要计算
就会有9条路径:
![]()
如果计算图再复杂一些,层数再多一些,路径数量就会呈指数爆炸性增长。但是如果采用合并策略:
![]()
就不会出现这种问题。这种策略不是 对每一条路径都求和,而是 “合并同类路径”,“分阶段求解”。先求X对Y的总影响
![]()
再求Y对Z的总影响
![]()
最后综合在一起。
1.2 两种求导模式:前向模式求导( forward-mode differentiation) 反向模式求导(reverse-mode differentiation)
上面提到的求导方法都是前向模式求导( forward-mode differentiation) :从前向后。先求X对Y的总影响
再乘以Y对Z的总影响
。
另一种,反向模式求导(reverse-mode differentiation) 则是从后向前。先求Y对Z的影响再乘以X对Y的影响。
前向求导模式追踪一个输入如何影响每一个节点(对每一个节点进行
操作)反向求导模式追踪每一个节点如何影响一个输出(对每一个节点进行
操作)。
1.3 反向求导模式(反向传播算法)的重要性:
让我们再次考虑前面的例子:
如果用前向求导模式:关于b向前求导一次
如果用反向求导模式:向后求导
前向求导模式只得到了关于输入b的偏导
,还需要再次求解关于输入a的偏导
(运算2遍)。而反向求导一次运算就得到了e对两个输入a,b的偏导
(运算1遍)。上面的比较只看到了2倍的加速。但如果有1亿个输入1个输出,意味着前向求导需要操作1亿遍才得到所有关于输入的偏导,而反向求导则只需一次运算,1亿倍的加速。数据分析师培训
当我们训练神经网络时,把“损失“ 看作 ”权重参数“ 的函数,需要计算”损失“关于每一个”权重参数“的偏导数(然后用梯度下降法学习)。 神经网络的权重参数可以是百万甚至过亿级别。因此 反向求导模式(反向传播算法)可以极大的加速学习。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
很多数据分析师画过趋势图、做过业绩预测,但当被问到“这个月销售额增长20%,到底是长期趋势自然增长,还是促销活动的短期 ...
2026-08-21在数据分析与数据可视化工作中,直方图是展示数据分布特征、离散程度、集中区间的核心图表,能够直观呈现数值数据的频次分布规律 ...
2026-08-20在数据分析领域有一句核心准则:垃圾数据进,垃圾数据出。数据清洗是数据分析、数据建模、数据可视化之前的必经前置工序,也是保 ...
2026-08-20 很多数据分析师做过按月份的销售额趋势图,画过按天的流量折线图,但当被问到“时间序列和普通数据有什么本质区别”“季节性 ...
2026-08-20在Python数据分析与数据清洗工作中,Pandas是最核心的数据处理库,DataFrame是结构化数据的标准存储格式。在实时数据采集、循环 ...
2026-08-19在零售行业大数据分析与精细化运营领域,纸尿裤旁摆放啤酒是最经典、最具代表性的商业案例。两种看似毫无关联的商品,一个是婴幼 ...
2026-08-19 很多数据分析师能熟练地计算指标、搭建标签体系,但当被问到“画像到底在解决什么问题”“画像和标签是什么关系”“画像如何 ...
2026-08-19在数据分析、业务监控、质量检测与风险管控工作中,数据波动性是衡量数据稳定性、业务健康度、结果可信度的核心依据。数据波动代 ...
2026-08-18很多分析师在设计标签时思路清晰,但真到落地环节却面临“数据在手,不知如何转化为可用标签”的困境:或因加工方式选择不当导致 ...
2026-08-18在数据分析、业务评价、产品评级、用户分层与综合决策场景中,单一指标往往无法全面、客观地评价事物整体水平。现实中的评价对象 ...
2026-08-18在数理统计、假设检验、数据分析与机器学习领域中,卡方分布(χ²分布)是继正态分布、t分布之后最重要的连续型概率分布之一。 ...
2026-08-17在Python数据清洗、文本校验、账号密码规则校验、脏数据过滤、字符串规整化处理中,正则表达式是最高效、最常用的文本匹配工具。 ...
2026-08-17 很多分析师每天和数据打交道,但当被问到“标签是什么”“标签和指标有什么区别”“标签体系如何设计”时,却常常答不上来。 ...
2026-08-17手游行业具备用户迭代快、竞争激烈、用户粘性易流失的典型特征。随着新游持续上线、玩家审美升级、玩法疲劳等问题出现,存量用户 ...
2026-08-14在数字化产品运营、商业数据分析、业务增长管理中,零散的指标统计无法支撑系统性的业务决策。单一的点击率、转化率、销量数据只 ...
2026-08-14 很多数据分析师每天都在写SQL,但当被问到“数据查询语言(DQL)的本质是什么”“SELECT语句中各子句的书写顺序与实际执行顺 ...
2026-08-14在数据库数据分析、数据清洗、报表统计与业务查询场景中,日期时间是最高频、最核心的基础字段。数据库中存储的日期格式多样,包 ...
2026-08-13在数据统计分析与数据清洗工作中,箱线图是一种简洁高效、客观性强的数据可视化图表,能够直观呈现数据集的分布特征、离散程度和 ...
2026-08-13 很多数据分析师写过无数个SELECT查询,但当被问到“如何新建一张表来固化中间数据”“创建视图和创建物理表有什么区别”“视 ...
2026-08-13在自动化办公、数据采集、定时统计、日志清理、系统监控等场景中,程序往往需要按照固定时间间隔重复执行指定任务,这种运行机制 ...
2026-08-12