AI入门——如何计算神经网络的参数
如何计算神经网络的参数
在上一篇文章中，我们了解到神经网络本质上是一个由大量参数（权重 w和偏置 b）构成的复杂非线性函数。那么，这些参数究竟是如何确定下来的呢？
始终记住，我们的目标是找到一组参数，使得网络的预测结果尽可能接近真实数据。如下图所示，显然左边的拟合效果更好。
为了量化“拟合得好不好”，我们需要一个衡量标准。对于单个样本，可以用预测值与真实值之差的绝对值来表示误差。将所有样本的误差累加起来，就得到了整体误差的度量。这个函数就叫做损失函数——用于表示预测数据与真实数据误差的函数。为了避免绝对值带来的不可导问题，通常采用平方来代替绝对值，然后对所有样本取平均，这样就得到了均方误差——一种常用的损失函数。
我们将损失函数记为 L。从参数的角度看，L 是关于所有 w 和 b 的函数：
损失函数表示的是预测值与真实值的误差，其值越小，说明模型的预测越准确。因此，我们的任务转化为：找到使损失函数 L 最小的那一组 w和 b。
如果参数很少，理论上可以通过令偏导数为零直接求解。例如，在线性回归中，我们正是用这种方法求解析解的。然而，神经网络的损失函数通常极其复杂，涉及成千上万个参数和非线性激活函数，根本无法直接求解。这时，我们需要一种更通用的方法——梯度下降。
梯度下降
梯度下降的核心思想很简单：既然无法一步到位，那就一步步朝误差减小的方向调整参数。
假设我们只关注某一个参数 w，当前取值下损失函数值为 L。如果我们让 w 增大一点点，发现 L 也随之增大，那就说明应该反过来减小 w；反之，如果增大 w 使 L 减小，那我们就继续朝这个方向调整。而损失函数L随着参数w变化而变化的程度，其实就是损失函数对w的偏导数。而我们要做的，就是让w和b不断地向偏导数地反方向去变化。具体变化的快慢，我们再增加一个系数（学习率）来控制。这些偏导数所构成的向量就叫做梯度。不断变化w和b使得损失函数不断减小，进而求出最后的w和b，这个过程就叫做梯度下降。这个过程用数学语言描述，就是利用损失函数对 w 的偏导数（即梯度）来指导参数的更新方向——朝着梯度的反方向移动。
其中 η 是学习率，控制每一步调整的步长。将所有参数的偏导数组合成一个向量，就是梯度。沿着梯度的反方向更新所有参数，就能使损失函数逐渐下降。这个过程反复进行，直到损失函数收敛到足够小，我们就得到了训练好的模型。
反向传播
现在问题变成了如何求偏导数。梯度下降的关键在于计算每个参数的偏导数。在深度神经网络中，参数数量巨大，直接逐个计算几乎不可能。幸运的是，借助链式法则，我们可以高效地求出所有梯度，这就是反向传播算法。
如图，要求L对w1的偏导，只需要用链式法则分别求图中的三个偏导，再相乘就好了。从输出层开始，我们可以由右向左逐层计算这些偏导数。有趣的是，计算前一层的梯度时，会用到后一层的某些中间结果，这些结果可以“反向传播”给前层复用，所以可以让这些值从右向左传播，这个过程就叫做反向传播。
总结
综上所述，神经网络的训练包含两个核心阶段：
- 前向传播：通过前向传播根据输入x计算输出y。
- 反向传播：根据预测值与真实值的误差（损失函数），利用链式法则计算每个参数的梯度，然后按照梯度下降法更新所有参数。
每一轮这样的操作称为一次训练迭代。经过足够多轮的迭代，损失函数不断下降，最终，经过多轮训练使得损失函数足够小，就得到了我们想要的函数。