深度学习——前向传播算法和反向传播算法（BP算法）及其推导

1 BP算法的推导

　　

　　　　　　　　图1 一个简单的三层神经网络

　　图1所示是一个简单的三层（两个隐藏层，一个输出层）神经网络结构，假设我们使用这个神经网络来解决二分类问题，我们给这个网络一个输入样本，通过前向运算得到输出。输出值的值域为，例如的值越接近0，代表该样本是“0”类的可能性越大，反之是“1”类的可能性大。

1.1 前向传播的计算

　　为了便于理解后续的内容，我们需要先搞清楚前向传播的计算过程，以图1所示的内容为例：
　　输入的样本为：
　　　　${Large overrightarrow{mathrm{x}}=left(x_{1}, x_{2} ight)^{T}} $
　　第一层网络的参数为：
　　　　${Large W^{(1)}=left[egin{array}{l} w_{left(x_{1}, 1 ight)}, w_{left(x_{2}, 1 ight)} \ w_{left(x_{1}, 2 ight)}, w_{left(x_{2}, 2 ight)} \ w_{left(x_{1}, 3 ight)}, w_{left(x_{2}, 3 ight)} end{array} ight], quad b^{(1)}=left[b_{1}, b_{2}, b_{3} ight]} $
　　第二层网络的参数为：
　　　　${Large W^{(2)}=left[egin{array}{l} w_{(1,4)}, w_{(2,4)}, w_{(3,4)} \ w_{(1,5)}, w_{(2,5)}, w_{(3,5)} end{array} ight], quad b^{(2)}=left[b_{4}, b_{5} ight]} $
　　第三层网络的参数为：
　　　　${Large W^{(3)}=left[w_{(4,6)}, w_{(5,6)} ight], quad b^{(3)}=left[b_{6} ight]} $

1.1.1 第一层隐藏层的计算

　　　　

　　　　　　　　　图2 计算第一层隐藏层

　　第一层隐藏层有三个神经元：neu1、neu2 和 neu3。该层的输入为：
　　　　${large  z^{(1)}=W^{(1)} *(vec{x})^{T}+left(b^{(1)} ight)^{T}} $
　　神经元 neu1的输入：
　　　　${Large z_{1}=w_{left(x_{1}, 1 ight)} * x_{1}+w_{left(x_{2}, 1 ight)} * x_{2}+b_{1}} $
　　神经元neu2的输入：
　　　　${Large z_{2}=w_{left(x_{1}, 2 ight)} * x_{1}+w_{left(x_{2}, 2 ight)} * x_{2}+b_{2}} $
　　神经元neu2的输入：
　　　　${Large z_{3}=w_{left(x_{1}, 3 ight)} * x_{1}+w_{left(x_{2}, 3 ight)} * x_{2}+b_{3}} $
　　假设我们选择函数f(x)作为该层的激活函数（图1中的激活函数都标了一个下标，一般情况下，同一层的激活函数都是一样的，不同层可以选择不同的激活函数），那么该层的输出为：$f_{1}left(z_{1} ight)$ 、 $f_{2}left(z_{2} ight) $ 和 $ f_{3}left(z_{3} ight) $。

1.1.2 第二层隐藏层的计算

　　　　

　　　　　　　　图3 计算第二层隐藏层

　　第二层隐藏层有两个神经元：neu4 和 neu5。该层的输入为：
　　　　${large { mathbf{z}^{(2)}=oldsymbol{W}^{(2)} *left[f_{1}left(z_{1} ight), f_{2}left(z_{2} ight), f_{3}left(z_{3} ight) ight]^{T}+left(oldsymbol{b}^{(2)} ight)^{T}} } $
　　即第二层的输入是第一层的输出乘以第二层的权重，再加上第二层的偏置。因此得到 neu4 和 neu5 的输入分别为：
　　　　${Large z_{4}=w_{(1,4)} * f_{1}left(z_{1} ight)+w_{(2,4)} * f_{2}left(z_{2} ight)+w_{(3,4)} * f_{3}left(z_{3} ight)+b_{4}} $
　　　　${Large z_{5}=w_{(1,5)} * f_{1}left(z_{1} ight)+w_{(2,5)} * f_{2}left(z_{2} ight)+w_{(3,5)} * f_{3}left(z_{3} ight)+b_{5}} $
　　该层的输出分别为：$f_{4}left(z_{4} ight)$ 和$f_{5}left(z_{5} ight)$。

1.1.3 输出层的计算

　　　　

　　　　　　　　图4 计算输出层

　　输出层只有一个神经元：neu6。该层的输入为：
　　　　${large mathbf{z}^{(3)}=oldsymbol{W}^{(3)} *left[f_{4}left(z_{4} ight), f_{5}left(z_{5} ight) ight]^{T}+left(oldsymbol{b}^{(3)} ight)^{T}} $
　　即：
　　　　${Large z_{6}=w_{(4,6)} * f_{4}left(z_{4} ight)+w_{(5,6)} * f_{5}left(z_{5} ight)+b_{6}} $
　　因为该网络要解决的是一个二分类问题，所以输出层的激活函数也可以使用一个Sigmoid型函数，神经网络最后的输出为：$f_{6}left(z_{6} ight)$

1.2 反向传播的计算

　　

 

　　网络结构：

　　以上图的网络结构为例, 输入数据是 $X=left[egin{array}{cc}x_{1}^{(1)} & x_{1}^{(2)} \ x_{2}^{(1)} & x_{2}^{(2)} \ x_{3}^{(1)} & x_{3}^{(2)}end{array} ight]_{3 imes 2} $, 其中包括 2 个样本, 每个样本都有3个特征，即 $X$ 的行数=特征个数, 列数=样本总数。记 $A^{[0]}=X$ , 圆括号表示第几个样 本，方括号表示第几层，下角标是特征的个数。

　　一、输入层（Input）

　　权重和偏执项 $W^{[1]}=left[egin{array}{ccc}w_{11}^{[1]} & w_{12}^{[1]} & w_{13}^{[1]} \ w_{21}^{[1]} & w_{22}^{[1]} & w_{23}^{[1]}end{array} ight]_{2 imes 3}, quad B^{[1]}=left[egin{array}{c}b_{1}^{[1]} \ b_{2}^{[1]}end{array} ight]_{2 imes 1} $
　　W 的行数=当前层神经元的个数, 列数=当前层所接受的特征个数。
　　B 的行数=当前层神经元的个数。

　　该层的线性计算：（这里其实用了类似Python中广播的概念，否则的话 $B$ 的列数与前一项不相等，按照基本的矩阵加法，这是没法加的）

　　　　$Z^{[1]}=W^{[1]} A^{[0]}+B^{[1]}=left[egin{array}{cc} w_{11}^{[1]} x_{1}^{(1)}+w_{12}^{[1]} x_{2}^{(1)}+w_{13}^{[1]} x_{3}^{(1)}+b_{1}^{[1]} & w_{11}^{[1]} x_{1}^{(2)}+w_{12}^{[1]} x_{2}^{(2)}+w_{13}^{[1]} x_{3}^{(2)}+b_{1}^{[1]} \ w_{21}^{[1]} x_{1}^{(1)}+w_{22}^{[1]} x_{2}^{(1)}+w_{23}^{[1]} x_{3}^{(1)}+b_{2}^{[1]} & w_{21}^{[1]} x_{1}^{(2)}+w_{22}^{[1]} x_{2}^{(2)}+w_{23}^{[1]} x_{3}^{(2)}+b_{2}^{[1]} end{array} ight]_{2 imes 2}$

　　记作

　　　　$Z^{[1]}=left[egin{array}{cc} z_{1}^{[1](1)} & z_{1}^{[1](2)} \ z_{2}^{[1](1)} & z_{2}^{[1](2)} end{array} ight]_{2 imes 2}$

　　激活输出

 　　　　$A^{[1]}=sigmaleft(Z^{[1]} ight)=left[egin{array}{cc} a_{1}^{[1](1)} & a_{1}^{[1](2)} \ a_{2}^{[1](1)} & a_{2}^{[1](2)} end{array} ight]_{2 imes 2}=left[egin{array}{ll} sigmaleft(z_{1}^{[1](1)} ight) & sigmaleft(z_{1}^{[1](2)} ight) \ sigmaleft(z_{2}^{[1](1)} ight) & sigmaleft(z_{2}^{[1](2)} ight) end{array} ight]_{2 imes 2}$

　　二、隐含层（Hidden）

　　权重和偏执项 

　　　　$W^{[2]}=left[egin{array}{cc} w_{11}^{[2]} & w_{12}^{[2]} \ w_{21}^{[2]} & w_{22}^{[2]} \w_{31}^{[2]} & w_{32}^{[2]} end{array} ight]_{3 imes 2}, B^{[2]}=left[egin{array}{c} b_{1}^{[2]} \ b_{2}^{[2]} \ b_{3}^{[2]} end{array} ight]_{3 imes 1}$

　　该层的线性计算

　　　　$Z^{[2]}=W^{[2]} A^{[1]}+B^{[2]}=left[egin{array}{ll} w_{11}^{[2]} a_{1}^{[1](1)}+w_{12}^{[2]} a_{2}^{[1](1)}+b_{1}^{[2]} & w_{11}^{[2]} a_{1}^{[1](2)}+w_{12}^{[2]} a_{2}^{[1](2)}+b_{1}^{[2]} \ w_{21}^{[2]} a_{1}^{[1](1)}+w_{22}^{[2]} a_{2}^{[1](1)}+b_{2}^{[2]} & w_{21}^{[2]} a_{1}^{[1](2)}+w_{22}^{[2]} a_{2}^{[1](2)}+b_{2}^{[2]} \ w_{31}^{[2]} a_{1}^{[1](1)}+w_{32}^{[2]} a_{2}^{[1](1)}+b_{3}^{[2]} & w_{31}^{[2]} a_{1}^{[1](2)}+w_{32}^{[2]} a_{2}^{[1](2)}+b_{3}^{[2]} end{array} ight]_{3 imes 2}$

　　记作 

　　　　$Z^{[2]}=left[egin{array}{cc} z_{1}^{[2](1)} & z_{1}^{[2](2)} \ z_{2}^{[2](1)} & z_{2}^{[2](2)} \ z_{3}^{[2](1)} & z_{3}^{[2](2)} end{array} ight]_{3 imes 2}$

　　激活输出

　　　　$A^{[2]}=sigmaleft(Z^{[2]} ight)=left[egin{array}{cc} a_{1}^{[2](1)} & a_{1}^{[2](2)} \ a_{2}^{[2](1)} & a_{2}^{[2](2)} \ a_{3}^{[2](1)} & a_{3}^{[2](2)} end{array} ight]_{3 imes 2}=left[egin{array}{cc} sigmaleft(z_{1}^{[2](1)} ight) & sigmaleft(z_{1}^{[2](2)} ight) \ sigmaleft(z_{2}^{[2](1)} ight) & sigmaleft(z_{2}^{[2](2)} ight) \ sigmaleft(z_{3}^{[2](1)} ight) & sigmaleft(z_{3}^{[2](2)} ight) end{array} ight]_{3 imes 2}$

　　三、输出层（Output）

　　权重和偏执项

　　　　$W^{[3]}=left[egin{array}{ccc} w_{11}^{[3]} & w_{12}^{[3]} & w_{13}^{[3]} \ w_{21}^{[3]} & w_{22}^{[3]} & w_{23}^{[3]} end{array} ight]_{2 imes 3}, quad B^{[3]}=left[egin{array}{c} b_{1}^{[3]} \ b_{2}^{[3]} end{array} ight]_{2 imes 1}$

　　该层的线性计算

　　　　$Z^{[3]}=W^{[3]} A^{[2]}+B^{[3]}=left[egin{array}{ll} w_{11}^{[3]} a_{1}^{[2](1)}+w_{12}^{[3]} a_{2}^{[2](1)}+w_{13}^{[3]} a_{3}^{[2](1)}+b_{1}^{[3]} & w_{11}^{[3]} a_{1}^{[2](2)}+w_{12}^{[3]} a_{2}^{[2](2)}+w_{13}^{[3]} a_{3}^{[2](2)}+b_{1}^{[3]} \ w_{21}^{[3]} a_{1}^{[2](1)}+w_{22}^{[3]} a_{2}^{[2](1)}+w_{23}^{[3]} a_{3}^{[2](1)}+b_{1}^{[3]} & w_{21}^{[3]} a_{1}^{[2](2)}+w_{22}^{[3]} a_{2}^{[2](2)}+w_{23}^{[3]} a_{3}^{[2](2)}+b_{1}^{[3]} end{array} ight]_{2 imes 2}$

　　记作

　　　　$Z^{[3]}=left[egin{array}{cc} z_{1}^{[3](1)} & z_{1}^{[3](2)} \ z_{2}^{[3](1)} & z_{2}^{[3](2)} end{array} ight]_{2 imes 2}$

　　激活输出

 　　　　$A^{[3]}=sigmaleft(Z^{[3]} ight)=left[egin{array}{cc} a_{1}^{[3](1)} & a_{1}^{[3](2)} \ a_{2}^{[3](1)} & a_{2}^{[3](2)}  end{array} ight]_{2 imes 2}=left[egin{array}{cc} sigmaleft(z_{1}^{[3](1)} ight) & sigmaleft(z_{1}^{[3](2)} ight) \ sigmaleft(z_{2}^{[3](1)} ight) & sigmaleft(z_{2}^{[3](2)} ight) end{array} ight]_{2 imes 2}$

　　输出结果是

　　　　$Y=left[egin{array}{cc} y_{1}^{(1)} & y_{1}^{(2)} \ y_{2}^{(1)} & y_{2}^{(2)}end{array} ight]_{2 imes 2}=A^{[3]}$

　　对应的真实标签值记是

　　　　$ ilde{Y}=left[egin{array}{ll} ilde{y_{1}}^{(1)} & ilde{y_{1}}^{(2)} \ ilde{y_{2}}^{(1)} & ilde{y_{2}}^{(2)} end{array} ight]_{2 imes 2}$

　　设每个神经元的激活函数为最常用的Sigmoid函数：

　　　　$sigma(z)=frac{1}{1+e^{-z}}$

　　分类问题中的BP问题：
　　目标函数：交叉熵函数

　　　　$L=-( ilde{Y} log (Y)+(1- ilde{Y}) log (1-Y))$

　　　　$ {small =left[egin{array}{ll} -left( ilde{y}_{1}^{(1)} log left(y_{1}^{(1)} ight)+left(1- ilde{y_{1}}^{(1)} ight) log left(1-y_{1}^{(1)} ight) ight. & -left( ilde{y}_{1}^{(2)} log left(y_{1}^{(2)} ight)+left(1- ilde{y}_{1} ^{(2)} ight) log left(1-y_{1}^{(2)} ight) ight) \ -left( ilde{y_{2}}(1) log left(y_{2}^{(1)} ight)+left(1- ilde{y_{2}}^{(1)} ight) log left(1-y_{2}^{(1)} ight) ight. & -left( ilde{y}_{2}^{(2)} log left(y_{2}^{(2)} ight)+left(1- ilde{y_{2}}^ {(2)} ight) log left(1-y_{2}^{(2)} ight) ight) end{array} ight]_{2 imes 2}}  $

　　简记为：

　　　　$L=left[egin{array}{ll} l_{1}^{(1)} & l_{1}^{(2)} \ l_{2}^{(1)} & l_{2}^{(2)} end{array} ight]$

　　则由简单的链导法则可有：

　　　　$frac{d L}{d Z^{[3]}}=frac{d L}{d A^{[3]}} frac{d A^{[3]}}{d Z^{[3]}}=left[egin{array}{cc} frac{d l_{1}^{(1)}}{d a_{1}^{[3](1)}} frac{d a_{1}^{[3](1)}}{d z_{1}^{[3](1)}} & frac{d l_{1}^{(2)}}{d a_{1}^{[3](2)}} frac{d a_{1}^{[3](2)}}{d z_{1}^{[3](2)}} \ frac{d l_{2}^{(1)}}{d a_{2}^{[3](1)}} frac{d a_{2}^{[3](1)}}{d z_{2}^{[3](1)}} & frac{d l_{2}^{(2)}}{d a_{2}^{[3](2)}} frac{d a_{2}^{[3](2)}}{d z_{2}^{[3](2)}} end{array} ight]_{2 imes 2}=left[egin{array}{cc} d z_{1}^{[3](1)} & d z_{1}^{[3](2)} \ d z_{2}^{[3](1)} & d z_{2}^{[3](2)} end{array} ight]_{2 imes 2}$

　　记 $frac{d L}{d Z^{[3]}}=d Z^{[3]}, frac{d L}{d A^{[3]}}=d A^{[3]}, frac{d A}{d Z^{[3]}}=sigma^{prime}left(Z^{[3]} ight)$，则，显然有：

　　$d Z^{[3]}=d A^{[3]} * sigma^{prime}left(Z^{[3]} ight)$，

　　即：
　　　　$left[egin{array}{ll} d z_{1}^{[3](1)} & d z_{1}^{[3](2)} \ d z_{2}^{[3](1)} & d z_{2}^{[3](2)} end{array} ight]_{2 imes 2}=left[egin{array}{ll} d a_{1}^{[3](1)} & d a_{1}^{[3](2)} \ d a_{2}^{[3](1)} & d a_{2}^{[3](2)} end{array} ight]_{2 imes 2} *left[egin{array}{ll} d sigmaleft(z_{1}^{[3](1)} ight) & d sigmaleft(z_{1}^{[3](2)} ight) \ d sigmaleft(z_{2}^{[3](1)} ight) & d sigmaleft(z_{2}^{[3](2)} ight) end{array} ight]_{2 imes 2}$

　　其中的 $ast $ 表示逐元素相乘。这一块涉及的函数求导就不赘述了，然后就可很容易计算出来下面的结果：
　　　　$d Z^{[3]}=A^{[3]}- ilde{Y}$

　　　　$frac{d L}{d W^{[3]}}=frac{d L}{d Z^{[3]}} frac{d Z^{[3]}}{d W^{[3]}}=left[egin{array}{lll} frac{d l_{1}^{(1)}}{d w_{11}^{[3]}}+frac{d l_{1}^{(2)}}{d w_{11}^{[3]}} & frac{d l_{1}^{(1)}}{d w_{12}^{[3]}}+frac{d l_{1}^{(2)}}{d w_{12}^{[3]}} & frac{d l_{1}^{(1)}}{d w_{13}^{[3]}}+frac{d l_{1}^ {(2)}}{d w_{13}^{[3]}} \ frac{d l_{2}^{(1)}}{d w_{21}^{[3]}}+frac{d l_{2}^{(2)}}{d w_{21}^{[3]}} & frac{d l_{2}^{(1)}}{d w_{22}^{[3]}}+frac{d l_{2}^{(2)}}{d w_{22}^{[3]}} & frac{d l_{2}^{(1)}}{d w_{23}^{[3]}}+frac{d l_{2}^ {(2)}}{d w_{23}^{[3]}} end{array} ight]_{2 imes 3}$

　　　　$d W^{[3]}=left[egin{array}{ccc} frac{d l_{1}^{(1)}}{d z_{1}^{[3](1)}} frac{d z_{1}^{[3](1)}}{d w_{11}^{[3]}}+frac{d l_{1}^{(2)}}{d z_{1}^{[3](2)}} frac{d z_{1}^{[3](2)}}{d w_{11}^{[3]}} & frac{d l_{1}^{(1)}}{d z_{1}^{[3](1)}} frac{d z_ {1}^{[3](1)}}{d w_{12}^{[3]}}+frac{d l_{1}^{(2)}}{d z_{1}^{[3](2)}} frac{d z_{1}^{[3](2)}}{d w_{12}^{[3]}} & frac{d l_{1}^{(1)}}{d z_{1}^{[3](1)}} frac{d z_{1}^{[3](1)}}{d w_{13}^{[3]}}+frac{d l_{1}^ {(2)}}{d z_{1}^{[3](2)}} frac{d z_{1}^{[3](2)}}{d w_{13}^{[3]}} \ frac{d l_{2}^{[3](1)}}{d z_{2}^{[3](1)}}{d w_{21}^{[3]}}+frac{d l_{2}^{[2)}}{d z_{2}^{[3](2)}} frac{d z_{2}^{[3](2)}}{d w_{21}^{[3]}} & frac{d l_{2}^{(1)}}{d z_{2}^{[3](1)}} frac{d z_{2}^{[3](1)}}{d w_ {22}^{[3]}}+frac{d l_{2}^{(2)}}{d z_{2}^{[3](2)}} frac{d z_{2}^{[3](2)}}{d w_{22}^{[3]}} & frac{d l_{2}^{(1)}}{d z_{2}^{[3](1)}} frac{d z_{2}^{[3](1)}}{d w_{23}^{[3]}}+frac{d l_{2}^{(2)}}{d z_{2}^{[3](2)}} frac{d z_{2}^{[3](2)}}{d w_{23}^{[3]}} end{array} ight]_{2 imes 3}$
　　上式计算后，结果为：
　　　　$d W^{[3]}=left[egin{array}{lll} d z_{1}^{[3](1)} a_{1}^{[2](1)}+d z_{1}^{[3](2)} a_{1}^{[2](2)} & d z_{1}^{[3](1)} a_{2}^{[2](1)}+d z_{1}^{[3](2)} a_{2}^{[2](2)} & d z_{1}^{[3](1)} a_{3}^{[2](1)}+d z_{1}^{[3](2)} a_{3}^{[2](2)} \ d z_{2}^{[3](1)} a_{1}^{[2](1)}+d z_{2}^{[3](2)} a_{1}^{[2](2)} & d z_{2}^{[3](1)} a_{2}^{[2](1)}+d z_{2}^{[3](2)} a_{2}^{[2](2)} & d z_{2}^{[3](1)} a_{3}^{[2](1)}+d z_{2}^{[3](2)} a_{3}^{[2](2)} end{array} ight]_{2 imes 3}$
　　从上面的式子可以看出，每个权重的梯度是每个样本得到的梯度之和，因此，这里都除以样本个数，求出平均梯度。整理一下，我们就得到：
　　　　$d W^{[3]}=frac{1}{2}left[egin{array}{cc} d z_{1}^{[3](1)} & d z_{1}^{[3](2)} \d z_{2}^{[3](1)} & d z_{2}^{[3](2)} end{array} ight]_{2 imes 2}left[egin{array}{ccc} a_{1}^{[2](1)} & a_{2}^{[2](1)} & a_{3}^{[2](1)} \ a_{1}^{[2](2)} & a_{2}^{[2](2)} & a_{3}^{[2](2)} end{array} ight]_{2 imes 3}$

　　即 $d W^{[3]}=frac{1}{2} d Z^{[3]} A^{[2]^{T}}$

　　同理可以求出来：

　　　　$d B^{[3]}=frac{1}{2} d Z^{[3]}left[egin{array}{l} 1 \1 end{array} ight]$

　　其实这就是$d Z^{[3]}$按行求和（即求第一行的总和，第二行的总和），所以简写为（Python中numpy的sum函数）：

　　　　$d B^{[3]}=frac{1}{2} operatorname{sum}left(d Z^{[3]}, a x i s=1 ight)$

　　现在输出层的都求出来，然后就再往回一层，求隐含层的梯度，因此，中间链导需要经过$A^{[2]}$：

　　　　$d A^{[2]}=left[egin{array}{ll} d z_{1}^{[3](1)} frac{d z_{1}^{[3](1)}}{d a_{1}^{[2](1)}}+d z_{2}^{[3](1)} frac{d z_{2}^{[3](1)}}{d a_{1}^{[2](1)}} quad d z_{1}^{[3](2)} frac{d z_{1}^{[3](2)}}{d a_{1}^{[2](2)}}+d z_{2}^{[3](2)} frac{d z_{2}^{[3](2)}}{d a_{1}^{[2](2)}} \ d z_{1}^{[3](1)} frac{d z_{2}^{[3](1)}}{d a_{2}^{[2](1)}}+d z_{2}^{[3](1)} frac{d z_{2}^{[3](1)}}{d a_{2}^{[2](1)}} quad d z_{1}^{[3](2)} frac{d z_{1}^{[3](2)}}{d a_{2}^{[2](2)}}+d z_{2}^{[3](2)} frac{d z_{2}^{[3](2)}}{d a_{2}^{[2](2)}} \ d z_{1}^{[3](1)} frac{d z_{1}^{[3](1)}}{d a_{3}^{[2](1)}}+d z_{2}^{[3](1)} frac{d z_{2}^{[3](1)}}{d a_{3}^{[2](1)}} quad d z_{1}^{[3](2)} frac{d z_{1}^{[3](2)}}{d a_{3}^{[2](2)}}+d z_{2}^{[3](2)} frac{d z_{2}^{[3](2)}}{d a_{3}^{[2](2)}} end{array} ight]_{3 imes 2}$

　　　　$d A^{[2]}=left[egin{array}{ll} d z_{1}^{[3](1)} w_{11}^{[3]}+d z_{2}^{[3](1)} w_{21}^{[3]} & d z_{1}^{[3](2)} w_{11}^{[3]}+d z_{2}^{[3](2)} w_{21}^{[3]} \ d z_{2}^{[3](1)} w_{12}^{[3]}+d z_{2}^{[3](1)} w_{22}^{[3]} & d z_{1}^{[3](2)} w_{12}^{[3]}+d z_{2}^{[3](2)} w_{22}^{[3]} \ d z_{1}^{[3](1)} w_{13}^{[3]}+d z_{2}^{[3](1)} w_{23}^{[3]} & d z_{1}^{[3](2)} w_{13}^{[3]}+d z_{2}^{[3](2)} w_{23}^{[3]} end{array} ight]_{3 imes 2}$
　　即：
　　　　$d A^{[2]}=W^{[3]^{T}} d Z^{[3]}$

　　接着就可以计算

　　　　$d Z^{[2]}=d A^{[2]} * sigma^{prime}left(Z^{[2]} ight)$

　　然后就可以推导隐含层的梯度了，过程和上面是一样的，就不再写那么一大堆了，直接给出结果：

　　　　$d W^{[2]}=frac{1}{2} d Z^{[2]} A^{[1]^{T}}$
　　　　$d B^{[2]}=frac{1}{2} operatorname{sum}left(d Z^{[2]}, ext { axis }=1 ight)$

　　同理，计算$d A^{[1]}, quad d Z^{[1]}$ ，于是就可得输入层的梯度：

　　　　$d W^{[1]}=frac{1}{2} d Z^{[1]} A^{[0]^{T}}$
　　　　$d B^{[1]}=frac{1}{2} operatorname{sum}left(d Z^{[1]}, a x i s=1 ight)$

　　然后更新权重即可：
　　　　$egin{array}{c} W^{[i]}=W^{[i]}-eta d W^{[i]} \ B^{[i]}=B^{[i]}-eta d B^{[i]} \ i=1,2,3 end{array}$

 

　　参考博客《神经网络BP算法推导》 

1.3 前向、反向传播例题

　　假设，有这样一个网络层：

　　　　

　　第一层是输入层，包含两个神经元 $x_1$，$x_2$，和截距项 $b_1$；
　　第二层是隐含层，包含两个神经元 $h_1$，$h_2$ 和截距项 $b_2$，
　　第三层是输出$o_1$，$o_2$，每条线上标的 $w_i$ 是层与层之间连接的权重，激活函数默认为 Sigmoid函数。
　　输入数据 $x_1=0.05，x_2=0.10$；
　　输出数据 $o_1=0.01,o_2=0.99$
　　初始权重 $w_1=0.15,w_2=0.20,w_3=0.25,w_4=0.30,w_5=0.40,w_6=0.45,w_7=0.50,w_8=0.55$
　　目标：给出输入数据$x_1 =0.05 , x_2=0.10 $ ，使输出尽可能与原始输出 $o_1=0.01,o_2=0.99$ 接近。

1.3.1 前向传播

　　1）输入层——>隐含层：
　　计算神经元 $h_1$ 的输入加权和：

　　　　${large egin{array}{l} net_{h 1}=w_{1} * x_{1}+w_{2} * x_{2}+b_{1}  \ n e t_{h 1}=0.15 * 0.05+0.2 * 0.1+0.35=0.3775 end{array}} $

　　神经元 $h_1$ 的输出 $o_1$：

　　　　$ {large out _{h1}=frac{1}{ 1+e^{-net_{h1}}   }=frac{1}{1+e^{-0.3775}}=0.593269992} $

　　同理，可计算出神经元 $h2$ 的输出 $o2$ ：

　　　　${large egin{array}{l} net_{h2}=w_{3} * x_{1}+w_{4} * x_{2}+b_{1}  \ net_{h2}=0.25 * 0.05+0.30 * 0.10+0.35=0.3925 end{array}} $
　　　　${large ext { out }_{h 2}=0.596884378} $

　　2）隐含层——>输出层：
　　计算输出层神经元 $o_1$ 和 $o_2$ 的值：

　　　　${large egin{array}{l} ext { net }_{o_1}=w_{5} * ext { out }_{h_1}+w_{6} * ext { out }_{h_2}+b_{2} * 1 \ ext { net }_{o_1}=0.4 * 0.593269992+0.45 * 0.596884378+0.6 * 1=1.105905967 \ ext { out }_{o_1}=frac{1}{1+e^{- net _{o_1}}}=frac{1}{1+e^{-1.105905967}}=0.75136507 end{array}} $
　　　　${large egin{array}{l} ext { net }_{o_2}=w_{7} * ext { out }_{h_1}+w_{6} * ext { out }_{h_2}+b_{2} * 1 \ ext { net }_{o_2}=0.5 * 0.593269992+0.55 * 0.596884378+0.6 =1.0607782 \ ext { out }_{o_2}=frac{1}{1+e^{- net _{o_2}}}=frac{1}{1+e^{-1.0607782}}=0.772928465 end{array}}  $

　　前向传播的过程结束得到输出值为 $[0.75136079 , 0.772928465]$，与实际值 $[0.01 , 0.99]$ 相差还很远，现在我们对误差进行反向传播，更新权值，重新计算输出。

1.3.2 反向传播

　　1）计算总误差

　　总误差：
　　　　${large E_{ ext {total }}=sum frac{1}{2}( ext { target }- ext { output })^{2}} $
　　但是有两个输出，所以分别计算 $o_1$ 和 $o_2$ 的误差，总误差为两者之和：

　　　　${large E_{o_1}=frac{1}{2}left( ext { target }_{o 1}- ext { out }_{o 1} ight)^{2}=frac{1}{2}(0.01-0.75136507)^{2}=0.274811083} $
　　　　${large E_{o_2}=frac{1}{2}left( ext { target }_{o_2}- ext { out }_{o_2} ight)^{2}=frac{1}{2}(0.99-0.772928465)^{2}=0.023560026} $
　　　　${large E_{ ext {total }}=E_{o_1}+E_{o_2}=0.274811083+0.023560026=0.298371109 } $

　　2）隐含层——>输出层的权值更新：

　　以权重参数 $w_5$ 为例，我们想知道 $w_5$ 对整体误差产生了多少影响，可以用整体误差对 $w_5$ 求偏导求出：

　　　　${large frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{5}}=frac{partial E_{ ext {total }}}{partial ext { out }_{o 1}} * frac{partial ext { out }_{o 1}}{partial ext { net }_{o 1}} * frac{partial ext { net }_{o 1}}{partial w_{5}}} $

　　下面的图可以更直观的看清楚误差是怎样反向传播的：

　　　　${large frac{partial n e t_{o_1}}{partial w_{5}} * frac{partial out_{o_1}}{partial n e t_{o_1}} * frac{partial E_{ ext {total }}}{partial o u t_{o_1}}=frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{5}}} $

　　

　　现在分别计算每个式子的值：
　　1）计算 ${large frac{partial E_{ ext {total }}}{partial o u t_{o 1}}} $ ：

　　　　${large egin{array}{l} E_{ ext {total }}=frac{1}{2}left( ext { target }_{o_1}- ext { out }_{o_1} ight)^{2}+frac{1}{2}left( ext { target }_{o_2}-o u t_{o_2} ight)^{2} \ frac{partial E_{ ext {total }}}{partial ext { out}_{o_1}}=2 * frac{1}{2}left( ext { target }_{o_1}- ext { out }_{o_1} ight)^{2-1} *-1+0 \ frac{partial E_{ ext {total }}}{partial ext { out }_{o_1}}=-left( ext { target }_{o_1}- ext { out }_{o_1} ight)=-(0.01-0.75136507)=0.74136507 end{array}} $

　　2）计算 ${large frac{partial out_{o_1}}{partial net_{o_1}}} $

　　　　${largeegin{array}{l} ext { out }_{o_1}=frac{1}{1+e^{-n e t_{o_1}}} \ frac{partial ext { out }_{o_1}}{partial  ext { net} _{o_1}}= ext { out }_{o_1}left(1- ext { out }_{o_1} ight)=0.75136507(1-0.75136507)=0.186815602 end{array}}$

　　3）计算 ${large frac{partial n e t_{o_1}}{partial w_{5}}} $

　　　　${large egin{array}{l} ext { net }_{o_1}=w_{5} * ext { out }_{h_1}+w_{6} * ext { out }_{h_2}+b_{2} * 1 \ frac{partial n e t_{o_1}}{partial w_{5}}=1 * ext { out }_{h_1}+0+0= ext { out }_{h_1}=0.593269992 end{array}} $

　　最后三者相乘：

　　　　$ {large egin{aligned} frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{5}} &=frac{partial E_{ ext {total }}}{partial ext { out }_{o_1}} * frac{partial ext { out }_{o_1}}{partial ext { net }_{o_1}} * frac{partial ext { net }_{o_1}}{partial w_{5}} \ frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{5}} &=0.74136507 * 0.186815602 * 0.593269992=0.082167041 end{aligned} } $

　　这样就计算出整体误差 $E(total)$ 对 $w_5$ 的偏导值。
　　回过头来看上面的公式，发现：

　　　${large frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{5}}=-left(operatorname{target}_{o_1}- ext { out }_{o_1} ight) * ext { out }_{o_1}left(1- ext { out }_{o_1} ight) * ext { out }_{h_1}} $

　　为表达方便，用 $delta_{o 1}$ 来表示输出层的误差：

　　　　$ {large egin{array}{l} delta_{o_1}=frac{partial E_{ ext {total }}}{partial o u t_{o_1}} * frac{partial o u t_{o_1}}{partial n e t_{o_1}}=frac{partial E_{ ext {total }}}{partial n e t_{o_1}} \ delta_{o_1}=-left( ext { target }_{o_1}- ext { out }_{o_1} ight) * ext { out }_{o_1}left(1- ext { out }_{o_1} ight) end{array} } $

　　因此，整体误差 $E(total)$ 对 $w_5$ 的偏导公式可以写成：

　　　　$frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{5}}=delta_{o 1} ext { out }_{h 1}$

　　如果输出层误差计为负的话，也可以写成：

　　　　$frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{5}}=-delta_{o_1} ext { out }_{h_1}$

　　最后更新 $w_5$ 的值：(其中，$eta$ 是学习速率，这里取 $0.5$ ）

　　　　$w_{5}^{+}=w_{5}-eta * frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{5}}=0.4-0.5 * 0.082167041=0.35891648$

　　同理，可更新 $w_6 ,w_7 ,w_8$：
　　　　$ egin{aligned} w_{6}^{+} &=0.408666186 \ w_{7}^{+} &=0.511301270 \ w_{8}^{+} &=0.561370121 end{aligned} $

　　3）隐含层——>输入层的权值更新：

　　方法其实与上面说的差不多，但是有个地方需要变一下，在上文计算总误差对 $w_5$ 的偏导时，是从 $out_{o_1}$->$net_{o_1}$->$w_5$ ，但是在隐含层之间的权值更新时，是 $out_{h1}$->$net_{h1}$->$w_1$，而 $out_{h_1}$ 会接受 $E_{o_1}$ 和 $E_{o_2}$ 两个地方传来的误差，所以这个地方两个都要计算。

　　　　$frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{1}}= frac{partial E_{ ext {total }}}{partial ext { out }_{h_1}} * frac{partial ext { out }_{h_1}}{partial n e t_{h_1}} * frac{partial ext { net }_{h_1}}{partial w_{1}} $
　　　　$frac{partial E_{ ext {total }}}{partial o u t_{h_1}}=frac{partial E_{o_1}}{partial o u t_{h_1}}+frac{partial E_{o_2}}{partial ext { out }_{h_1}}$

　　计算 $frac{partial E_{ ext {total }}}{partial o u t_{h_1}}$
　　　　${large frac{partial E_{ ext {total }}}{partial ext { out }_{h_1}}=frac{partial E_{o_1}}{partial o u t_{h_1}}+frac{partial E_{o_2}}{partial o u t_{h_1}}}$

　　先计算 $frac{partial E_{o_1}}{partial o u t_{h_1}}$
　　　　${large frac{partial E_{o_1}}{partial o u t_{h_1}}=frac{partial E_{o_1}}{partial n e t_{o_1}} * frac{partial n e t_{o_1}}{partial o u t_{h_1}}} $
　　　　${large frac{partial E_{o_1}}{partial n e t_{o_1}}=frac{partial E_{o_1}}{partial o u t_{o_1}} * frac{partial o u t_{o_1}}{partial n e t_{o_1}}=0.74136507 * 0.186815602=0.138498562} $
　　　　${large n e t_{o_1}=w_{5} * ext { out }_{h 1}+w_{6} * ext { out }_{h_2}+b_{2} * 1} $
　　　　${large frac{partial ext { net }_{o_1}}{partial ext { out }_{h_1}}=w_{5}=0.40} $
　　　　${large frac{partial E_{o_1}}{partial o u t_{h_1}}=frac{partial E_{o_1}}{partial n e t_{o_1}} * frac{partial n e t_{o_1}}{partial o u t_{h_1}}=0.138498562 * 0.40=0.055399425} $
　　同理，计算出：
　　${large frac{partial E_{o_2}}{partial o u t_{h_1}}=-0.019049119} $
　　两者相加得到总值：
　　　　${large frac{partial E_{ ext {total }}}{partial o u t_{h_1}}=frac{partial E_{o_1}}{partial o u t_{h_1}}+frac{partial E_{o_2}}{partial o u t_{h_1}}=0.055399425+-0.019049119=0.036350306} $
　　再计算 ${large frac{partial o u t_{h_1}}{partial n e t_{h_1}}} $
　　　　${large ext { out }_{h_1}=frac{1}{1+e^{-net_{h_1}} }} $
　　　　${large frac{partial o u t_{h_1}}{partial n e t_{h_1}}=o u t_{h_1}left(1-o u t_{h_1} ight)=0.59326999(1-0.59326999)=0.241300709} $
　　再计算 ${large frac{partial ext { net }_{h_1}}{partial w_{1}}} $
　　　　${large ext { net }_{h 1}=w_{1} * x_{1}+w_{2} * i_{2}+b_{1} * 1} $
　　　　${large frac{partial n e t_{h_1}}{partial w_{1}}=x_{1}=0.05} $
　　最后，三者相乘：
　　　　${large frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{1}}=frac{partial E_{ ext {total }}}{partial o u t_{h_1}} * frac{partial o u t_{h_1}}{partial n e t_{h_1}} * frac{partial n e t_{h_1}}{partial w_{1}}} $
　　　　${large frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{1}}=0.036350306 * 0.241300709 * 0.05=0.000438568} $
　　为了简化公式，用 $Sigma(h_1)$ 表示隐含层单元 $h_1$ 的误差：
　　　　${large frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{1}}=left(sumlimits _{o} frac{partial E_{ ext {total }}}{partial o u t_{o}} * frac{partial out_o }{partial net_o} * frac{partial net_o }{partial ext { out }_{h_1}} ight) * frac{partial o u t_{h_1}}{partial n e t_{h_1}} * frac{partial ext { net }_{h 1}}{partial w_{1}}} $
　　　　${large frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{1}}=left(sum limits _{o} delta_{o} * w_{h_o} ight) * out _{h_1}left(1- ext { out }_{h 1} ight) * x_{1}} $
　　　　${large frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{1}}=delta_{h_1} x_{1}} $
　　最后，更新 $w_1$ 的权值：
　　　　${large w_{1}^{+}=w_{1}-eta * frac{partial E_{ ext {total }}}{partial w_{1}}=0.15-0.5 * 0.000438568=0.149780716} $
　　同理，可更新 $w_2,w_3,w_4$ 的权值：
　　　　${large egin{array}{l} w_{2}^{+}=0.19956143 \ w_{3}^{+}=0.24975114 \ w_{4}^{+}=0.29950229 end{array}} $
　　这样误差反向传播法就完成了，最后我们再把更新的权值重新计算，不停地迭代，在这个例子中第一次迭代之后，总误差 $E_{total} $  由 $ 0.298371109 $下降至 $0.291027924$ 。迭代 $10000 $次后，总误差为 $0.000035085$，输出为$[0.015912196,0.984065734]$（原输入为 $[0.01,0.99]$ )，证明效果还是不错的。

 

参考

文献：

1：一文彻底搞懂BP算法：原理推导+数据演示+项目实战（上篇）

2：BP算法实例详解

3：神经网络BP算法推导

视频：

1：26、神经网络之BP算法举例说明