はじめに

この記事で，書かずに終わってしまったBackpropagationについてメモします．
計算方法や実装は比較的容易なのに，理解するのにそこそこ時間がかかったので，整理して自分なりの備忘用にしてあります．

どこで使うの？

人工ニューラルネットワーク(ANN: Artificial Neural Network)や深層ニューラルネットワーク(DNN: Deep Neural Network)の学習時に生じた誤差をネットワーク内に反映させる時に用いる手法が，Backpropagationである．
Backpropagationは，日本語では誤差逆伝播法と言うらしい．

計算方法

更新処理では，以下のコスト関数$J$をパラメータ$\Theta$で偏微分した値が必要になる．

\frac{\partial}{\partial \Theta_{ij}^{(l)}}J(\Theta)

これは，パラメータ$\Theta_{ij}^{(l)}$すべてにおいて誤差を求めるというもの．一度にすべてを求めるのは現実的ではなく，それよりも効率の良い求め方がある．それが，Backpropagation Algorithmである．

以下のような4層ANNを例にBackpropagationの計算をしてみる．

まず，入力値を$x$とするとForward Propagationの計算は以下のようになる．

\begin{align}
a^{(1)} &= x \\
\\
z^{(2)} &= \Theta^{(1)}a^{(1)} \\
a^{(2)} &= g(z^{(2)}) \\
a^{(2)} &:= \left(\begin{matrix}
1 \\
a_1^{(2)}\\
\vdots\\
a_{s_2}^{(2)}
\end{matrix}\right)\\
\\
z^{(3)} &= \Theta^{(2)}a^{(2)} \\
a^{(3)} &= g(z^{(3)}) \\
a^{(3)} &:= \left(\begin{matrix}
1 \\
a_1^{(3)}\\
\vdots\\
a_{s_3}^{(3)}
\end{matrix}\right)\\
\\
z^{(4)} &= \Theta^{(3)}a^{(3)} \\
a^{(4)} &= g(z^{(4)}) = h_\Theta(x)
\end{align}

各層$l$にあるノード$j$の誤差を$\delta_{j}^{(l)}$とする．
そうして，各ノードの誤差$\delta_{j}^{(l)}$は以下のように計算する．

\begin{align}
\delta^{(4)} &= a^{(4)} - y \\
\\
\delta^{(3)} &= (\Theta^{(3)})^T \delta^{(4)} \circ g^\prime(z^{(3)}) \\
\\
\delta^{(2)} &= (\Theta^{(2)})^T \delta^{(3)} \circ g^\prime(z^{(2)}) \\
\end{align}

$\delta^{(1)}$がないのは，入力値に誤差というものがないためである．
$g^\prime(\cdot)$は，活性化関数の導関数になる．Sigmoid関数であれば，$x(1-x)$となる．また，$\circ$はアダマール積であり，行列の要素同士の積算を表している．

各層の$\delta^{(l)}$を求めることができたら，更新値を次のようにして計算する．

\begin{align}
\triangle_{ij}^{(l)} &= \sum_{i=1}^m a_j^{(l)}\delta_i^{(l+1)} \\

\frac{\partial}{\partial\Theta_{ij}^{(l)}}J(\Theta) &= \frac{1}{m}\triangle_{ij}^{(l)} + \lambda\Theta_{ij}^{(l)} \\
\end{align}

まとめ

Backpropagationは簡単な計算しかしてなく，Forward propagationと似た実装である．
式が分からなくなったら，変数の次元数を確認していけば良い．