神经网络技术的核心：反向传播算法(BP算法)

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在前面的文章中介绍训练一个模型，其主要区别就在于神经网络模型的架构；但可能很多人并不知道神经网络模型的核心算法就是——反向传播算法，也被叫做BP算法。

可能很多人都听说过反向传播算法，但可能很多人都没意识到反向传播算法对神经网络的重要性；可以说现在的神经网络模型就建立在反向传播算法之上，没有反向传播算法就没有神经网络的存在。





反向传播(BP)算法




了解过人工智能发展史的人应该都知道，人工智能技术并不是最近才出现的新技术；在世界上第一台计算机出现之后的十年，人工智能的概念就已经被提出来了，但人工智能技术的发展却是最近几年才爆火的。

但在爆火之前，人工智能技术已经经过了几十年的发展；而且人工智能技术的发展也有几个流派，也经过了几次大起大落。

特别是以仿生学为基础的神经网络模型，经过几次大起大落才走到了今天这个地步。




神经网络模型的提出是基于神经元模型的提出，在1943年，心理学家McCulloch和数学家Pitts参考了生物神经元的结构；发表了抽象的神经元模型MP。而在1958年，计算科学家Rosenblatt提出了由单层神经元组成的神经网络——感知机，也就是世界上第一个神经网络模型。

但受限于当时的技术与理论，感知机只能解决最简单的线性分类任务；对异或这种简单的分类任务都无法解决，再加上受限于当时的计算能力，导致神经网络发展被搁置，这也使得神经网络模型的研究进入了一个冰河时期。



在1969年发现单层神经网络无法解决异或问题之后，又过了大概十年左右；由两层神经网络构成的多层感知机被提了出来；当神经网络增加一层之后，不但能够解决异或问题，而且还拥有非常好的非线性分类效果。

但多层感知机存在的一个主要问题还是计算问题，在多层感知机提出来时并没有一个很好的解决方案；直到1986年，Rumelhar和Hinton等人提出了反向传播算法(Backpropagation，BP算法)；才解决了两层神经网络所需要的复杂计算量问题。




而反向传播算法的启示是数学中的链式反则。



在此需要说明的是，尽管早期神经网络的研究人员努力从生物学中得到启发，但从BP算法开始，研究者们更多地从数学上寻求问题的最优解。不再盲目模拟人脑网络是神经网络研究走向成熟的标志。正如科学家们可以从鸟类的飞行中得到启发，但没有必要一定要完全模拟鸟类的飞行方式，也能制造可以飞天的飞机。


而后神经网络模型的发展又经过几次摧残，比如支持向量机的产生(SVM）；尽管使用了BP算法，一次神经网络的训练仍然耗时太久，而且困扰训练优化的一个问题就是局部最优解问题，这使得神经网络的优化较为困难。同时，隐藏层的节点数需要调参，这使得使用不太方便，工程和研究人员对此多有抱怨。

多层神经网络——深度学习


2006年，Hinton在《Science》和相关期刊上发表了论文，首次提出了“深度信念网络”的概念。与传统的训练方式不同，“深度信念网络”有一个“预训练”（pre-training）的过程，这可以方便的让神经网络中的权值找到一个接近最优解的值，之后再使用“微调”(fine-tuning)技术来对整个网络进行优化训练。这两个技术的运用大幅度减少了训练多层神经网络的时间。他给多层神经网络相关的学习方法赋予了一个新名词--“深度学习”。




由此，深度学习技术发展进入快车道，快速应用于图像处理，自然语言处理等领域；而后到谷歌工程师提出了Transformer架构，以及openAI基于Transformer架构开发了chatGPT聊天机器人神经网络模型。

在人脑的神经网络中，不同神经元之间的信号是实时传递和变化的；因此，反向传播算法就是计算不同神经网络层神经元的信号值；因此，也就解决了神经网络最核心的问题。