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故事:国王的信使与误差反向传播
在古老的王国里,国王希望自己的弓箭手训练营能够培养出最强的射手。他设立了一场射箭比赛,要求所有弓箭手向目标射箭,并根据他们的成绩给予奖励或惩罚。
然而,比赛结果并不理想——大部分弓箭手射偏了。国王想知道:箭射歪了,到底是哪个环节出了问题?
于是,他召集了首席教官、弓匠和箭匠,希望找到问题的根源,并逐步改进训练方法。
第一步:发现误差(计算损失)
比赛结束后,国王检查靶子,发现箭矢偏离目标的情况十分严重。有的射到了外环,有的甚至没射中靶。
国王皱着眉头说:“我们需要一个标准来衡量弓箭手的表现。”
于是,他决定:
目标中心是 完美的射击点(理想输出)
每支箭的落点表示 实际输出
偏差越大,意味着误差越大(损失函数 )
国王命令数学师计算每个射手的误差,误差越大,说明问题越严重。
第二步:误差如何产生?(误差的传播)
国王想知道,是谁的责任导致了偏差?
他把弓箭训练分解成多个环节:
1 弓箭手的瞄准(神经网络的最后一层)
2 弓的质量(隐藏层)
3 箭的质量(隐藏层)
4 训练方法(输入层)
如果箭偏离目标,可能是:
弓箭手没瞄准好(类似于神经网络的输出层计算错误)
弓有缺陷(类似于隐藏层的权重设置不当)
箭头不够稳定(类似于特征提取不准确)
训练方法不对(类似于输入数据有误)
误差反向传播的核心问题就是要找出这些因素对最终误差的贡献,并逐步调整它们。
第三步:误差如何回溯?(反向传播计算梯度)
国王决定,不能只惩罚弓箭手,因为问题可能出现在更深层次的环节。他让信使从终点(箭靶)向前传递信息,逐步追查问题的来源。
信使的任务是:
1 先从箭靶出发,检查弓箭手的瞄准情况。
如果射手的手抖了,误差可能主要来自瞄准(类似于反向传播计算损失对输出层的影响)。
2 再检查弓是否有问题。
如果弓的张力不够,导致射偏,那就要调整弓的设计(类似于计算误差对隐藏层的影响)。
3 最后检查箭的质量。
如果箭本身重量不均匀,可能是箭匠制作的问题(类似于输入权重需要调整)。
这个过程就是误差从输出层向输入层反向传播,每一层都接收来自下一层的反馈,计算自己对误差的贡献,并调整自身。
第四步:调整各层参数(梯度下降)
找到了问题后,国王开始命令大家调整:
让弓箭手加强瞄准训练(调整最后一层的参数)。
让弓匠改进弓的材料,使其更稳定(调整隐藏层权重)。
让箭匠改进箭的工艺,使其更平衡(调整输入层的参数)。
他们采用的原则是逐步调整,而不是一次性大改:
这类似于梯度下降算法(gradient descent),每次调整一点点,慢慢减少误差,让射箭成绩越来越好。
最终结果:误差越来越小
随着训练的不断优化,射箭误差越来越小,弓箭手的命中率也越来越高。
国王满意地说:“我们终于找到了让射手变强的方法!从结果出发,逐步找到问题并调整,就是让军队变得更强的秘诀。”
数学师笑着说:“陛下,这正是误差反向传播法(backpropagation)的精髓——从最终误差出发,逐步回溯并优化各个环节,最终让整个系统越来越精准。”
故事寓意
1 误差反向传播法(backpropagation) 通过逐层回溯,计算每一层对误差的贡献,并调整参数,使得神经网络的输出越来越准确。
2 损失函数衡量误差,就像国王测量射箭的准确度。
3 梯度计算决定调整方向,就像信使从终点向前追查问题来源。
4 梯度下降法(gradient descent) 通过小幅调整优化神经网络,就像逐步改进弓、箭和射手的训练。
最终,神经网络就像弓箭训练营一样,经过不断优化,变得越来越精准!