Tensorflow 卷积的梯度反向传播过程

Z时代
2024-01-10
分类：综合

一. valid卷积的梯度

我们分两种不同的情况讨论valid卷积的梯度：第一种情况，在已知卷积核的情况下，对未知张量求导(即对张量中每一个变量求导)；第二种情况，在已知张量的情况下，对未知卷积核求导(即对卷积核中每一个变量求导)

1.已知卷积核，对未知张量求导

我们用一个简单的例子理解valid卷积的梯度反向传播。假设有一个3x3的未知张量x，以及已知的2x2的卷积核K

Tensorflow提供函数tf.nn.conv2d_backprop_input实现了valid卷积中对未知变量的求导，以上示例对应的代码如下：


import tensorflow as tf
# 卷积核
kernel=tf.constant(
  [
    [[[3]],[[4]]],
    [[[5]],[[6]]]
  ]
  ,tf.float32
)
# 某一函数针对sigma的导数
out=tf.constant(
  [
    [
      [[-1],[1]],
      [[2],[-2]]
    ]
  ]
  ,tf.float32
)
# 针对未知变量的导数的方向计算
inputValue=tf.nn.conv2d_backprop_input((1,3,3,1),kernel,out,[1,1,1,1],'VALID')
session=tf.Session()
print(session.run(inputValue))
[[[[ -3.]
  [ -1.]
  [ 4.]]
 [[ 1.]
  [ 1.]
  [ -2.]]
 [[ 10.]
  [ 2.]
  [-12.]]]]

2.已知输入张量，对未知卷积核求导

假设已知3行3列的张量x和未知的2行2列的卷积核K

Tensorflow提供函数tf.nn.conv2d_backprop_filter实现valid卷积对未知卷积核的求导，以上示例的代码如下：


import tensorflow as tf
# 输入张量
x=tf.constant(
  [
    [
      [[1],[2],[3]],
      [[4],[5],[6]],
      [[7],[8],[9]]
    ]
  ]
  ,tf.float32
)
# 某一个函数F对sigma的导数
partial_sigma=tf.constant(
  [
    [
      [[-1],[-2]],
      [[-3],[-4]]
    ]
  ]
  ,tf.float32
)
# 某一个函数F对卷积核k的导数
partial_sigma_k=tf.nn.conv2d_backprop_filter(x,(2,2,1,1),partial_sigma,[1,1,1,1],'VALID')
session=tf.Session()
print(session.run(partial_sigma_k))
[[[[-37.]]
 [[-47.]]]
 [[[-67.]]
 [[-77.]]]]

二. same卷积的梯度

1.已知卷积核，对输入张量求导

假设有3行3列的已知张量x，2行2列的未知卷积核K


import tensorflow as tf
# 卷积核
kernel=tf.constant(
  [
    [[[3]],[[4]]],
    [[[5]],[[6]]]
  ]
  ,tf.float32
)
# 某一函数针对sigma的导数
partial_sigma=tf.constant(
  [
    [
      [[-1],[1],[3]],
      [[2],[-2],[-4]],
      [[-3],[4],[1]]
    ]
  ]
  ,tf.float32
)
# 针对未知变量的导数的方向计算
partial_x=tf.nn.conv2d_backprop_input((1,3,3,1),kernel,partial_sigma,[1,1,1,1],'SAME')
session=tf.Session()
print(session.run(inputValue))
[[[[ -3.]
  [ -1.]
  [ 4.]]
 [[ 1.]
  [ 1.]
  [ -2.]]
 [[ 10.]
  [ 2.]
  [-12.]]]]

2.已知输入张量，对未知卷积核求导

假设已知3行3列的张量x和未知的2行2列的卷积核K


import tensorflow as tf
# 卷积核
x=tf.constant(
  [
    [
      [[1],[2],[3]],
      [[4],[5],[6]],
      [[7],[8],[9]]
    ]
  ]
  ,tf.float32
)
# 某一函数针对sigma的导数
partial_sigma=tf.constant(
  [
    [
      [[-1],[-2],[1]],
      [[-3],[-4],[2]],
      [[-2],[1],[3]]
    ]
  ]
  ,tf.float32
)
# 针对未知变量的导数的方向计算
partial_sigma_k=tf.nn.conv2d_backprop_filter(x,(2,2,1,1),partial_sigma,[1,1,1,1],'SAME')
session=tf.Session()
print(session.run(partial_sigma_k))
[[[[ -1.]]
 [[-54.]]]
 [[[-43.]]
 [[-77.]]]]