MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第4章 その77【誤差逆伝播法④】

MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第4章 その77【誤差逆伝播法④】 数値計算
MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第4章 その77【誤差逆伝播法④】

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はじめに

多層パーセプトロンの誤差逆伝播法について。
今回は、「隠れ層の重みとバイアスを求める誤差からの連鎖律」を確認する。

登場人物

博識フクロウのフクさん

指差しフクロウ

イラストACにて公開の「kino_k」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=iKciwKA9&area=1

エンジニア歴8年の太郎くん

技術者太郎

イラストACにて公開の「しのみ」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=uCKphAW2&area=1

多層パーセプトロンの誤差逆伝播法の説明の流れ【再掲】

太郎くん
太郎くん

まずは、多層パーセプトロンの誤差逆伝播法の説明の流れを再掲。

  • 誤差逆伝播法の全体像の確認(済)
  • 出力層の重みとバイアスを求める誤差からの連鎖律(済)
  • 隠れ層の重みとバイアスを求める誤差からの連鎖律
  • 上記をプログラミングするための最適化
フクさん
フクさん

今回は、「隠れ層の重みとバイアスを求める誤差からの連鎖律」を確認する。

隠れ層から誤差関数までの合成関数

フクさん
フクさん

まず、全体の合成関数から隠れ層から誤差関数までの合成関数の位置を確認。
以下に図示する。

全体の合成関数から隠れ層から誤差関数までの位置を確認、W1、X、h()、Z1、σ()、W2、A1、g()、Z2、A2,SSE()、E
フクさん
フクさん

そして、以前も記載したが出力層で見た合成関数は以下になる。

\(
{\rm{SSE}}(\sigma(g(\sigma(h(X,W_1)),W_2)))
\)

太郎くん
太郎くん

途中までは出力層と一緒に見えるけど\(Z_1\)は\(W_2\)に対しての偏微分じゃなくて、\(A_1\)に対しての偏微分をするって感じかな。

フクさん
フクさん

正解。

隠れ層から誤差関数までの連鎖律

フクさん
フクさん

誤差\(E\)を隠れ層の重み\(W_1\)で微分するにあたって、
間に\(A_2,Z_2,A_1,Z_1\)が居るので、連鎖律は以下になる。

\(
\displaystyle\frac{\partial E}{\partial W_2}=\frac{\partial E}{\partial A_2}\frac{\partial A_2}{\partial Z_2}\frac{\partial Z_2}{\partial A_1}\frac{\partial A_1}{\partial Z_1}\frac{\partial Z_1}{\partial W_1}
\)

太郎くん
太郎くん

当然なんだろうけど、異様になげぇな。

フクさん
フクさん

それぞれの偏微分を求める。

\(
\displaystyle\frac{\partial E}{\partial A_2}=\frac{1}{2}(A_2-Y)^2=A_2=Y
\)

\(
\displaystyle\frac{\partial A_2}{\partial Z_2}=\sigma^\prime(Z_2)
\)

\(
\displaystyle\frac{\partial Z_2}{\partial A_1}=(W_2 A_1 + b_2)^\prime=W_2
\)

\(
\displaystyle\frac{\partial A_1}{\partial Z_1}=\sigma^\prime(Z_1)
\)

\(
\displaystyle\frac{\partial Z_1}{\partial W_1}=(W_1X+b_1)^\prime=X
\)

フクさん
フクさん

連鎖律として組み合わせる。

\(
\displaystyle\frac{\partial E}{\partial W_2}=(A-Y)\sigma^\prime(Z_2)W_2\sigma^\prime(Z_1)X
\)

フクさん
フクさん

バイアスの方は途中過程は省略するが以下になる。

\(
\displaystyle\frac{\partial E}{\partial b_2}=(A-Y)\sigma^\prime(Z_2)W_2\sigma^\prime(Z_1)
\)

太郎くん
太郎くん

長い式にはなったけど、それぞれはどういう計算になるか分かってるから、
それほど問題にはならなそうだね。

まとめ

フクさん
フクさん

まとめだよ。

  • 隠れ層から誤差関数までの合成関数を確認。
  • 隠れ層から誤差関数までの連鎖律を導出。

バックナンバーはこちら。

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