Türev ve Zincir Kuralı

Eğim, kısmi türev, gradyan ve zincir kuralı.

Eğitim yazısında kayıp “hoşnutsuzluk sayısı”ydı. Ağırlığı biraz oynatınca bu sayı nasıl değişir? O değişim hızına türev denir. Ortaokul formülü yeni bir altyapı değildir; 4. adımdaki “hangi tarafa kaydırayım?” sorusunun cevabıdır. Geri yayılım, bu hesabı katman katman uygulamaktır. Bu yazı sayıyla gösterir.

Eğim

Tek değişkende L(w). w’yi Δw kadar oynatınca ΔL ≈ L'(w) Δw. L'(w) o noktadaki eğimdir. Pozitifse sağa gitmek L’yi artırır; azaltmak için sola gidilir.

Tanım: L'(w) = lim_{h→0} [L(w+h) − L(w)] / h. Pratikte h = 10⁻⁵ ile sayısal kontrol yapılır: analitik gradyan ile bu farkın uyması, geri yayılımın birim testidir (grad-check).

Örnek: L(w) = (w − 3)². (u)²’nin türevi 2u, içerisi w−3, zincir: L' = 2(w − 3). w = 0 iken L' = −6. w’yi artırmak kaybı düşürür; gerçekten de hedef 3 sağdadır.

Sabit çarpan: d(cL)/dw = c L'. Toplam: (L₁ + L₂)' = L₁' + L₂'. Çarpım: (uv)' = u'v + uv'. Bunlar, kayıp bir toplam (batch ortalaması) ve çarpım (ağırlık × girdi) olduğu için yeter.

Kısmi türev ve gradyan

L(w, b). Kısmi türev ∂L/∂w, b sabitken w’ye göre eğimdir. Gradyan ∇L = (∂L/∂w, ∂L/∂b) vektördür. Yön, L’nin en hızlı arttığı yerdir. Azaltmak için −∇L yönüne adım atılır. Bu, bir sonraki yazıdaki iniş kuralıdır; burada yalnızca yönün anlamı vardır.

L = (2w + b − 1)² olsun. İçerisi u = 2w + b − 1, L = u², ∂L/∂u = 2u. ∂u/∂w = 2, ∂u/∂b = 1. Zincir:

∂L/∂w = 2u · 2 = 4u, ∂L/∂b = 2u · 1 = 2u.

w = 0, b = 0 → u = −1, ∂L/∂w = −4, ∂L/∂b = −2. Her iki ağırlığı da artırmak u’yu 0’a, kaybı 0’a çeker.

Zincir kuralı

L = f(g(w)) ise dL/dw = f'(g(w)) · g'(w). İçerideki değişim, dışarıdaki eğimle çarpılır. Üç halka: L = f(g(h(w))) → çarpım üç türevin.

Sinir ağında x → z = w x + b → h = ReLU(z) → L = ½(h − y)².

x = 2, w = 0.3, b = 0.1, y = 1:

  • z = 0.7
  • h = max(0, 0.7) = 0.7
  • L = ½(0.7 − 1)² = 0.045

Geri:

  • ∂L/∂h = h − y = −0.3
  • ∂h/∂z = 1 çünkü z > 0 (ReLU’nun türevi pozitif yarıda 1, negatif yarıda 0)
  • ∂L/∂z = −0.3
  • ∂z/∂w = x = 2, ∂z/∂b = 1
  • ∂L/∂w = −0.6, ∂L/∂b = −0.3

w’yi η = 0.1 ile güncellersek w ← 0.3 − 0.1(−0.6) = 0.36. z biraz büyür, h 1’e yaklaşır. Hesap grafiği: ileri değerleri sakla, geriden çarpa çarpa akıt. z < 0 olsaydı ∂h/∂z = 0, gradyan orada ölürdü: ölü ReLU.

Ne unutulur?

Türev, yerel ve doğrusal yaklaşımdır. Büyük adımda ΔL ≈ L' Δw bozulur. Ayrıca L dışbükey değilse sıfır gradyan eyer veya yerel çukur olabilir. Zincir kuralı hâlâ doğrudur; indiğiniz yer global en iyi olmak zorunda değildir.

Alıştırma

h = ReLU(0.5 x), x = −2, L = ½(h − 1)² için ∂L/∂x nedir? (ReLU kapalı, gradyan 0.) x = 2 için aynı türevi yazın ve işaretin neden h’yi 1’e iter olduğunu söyleyin.