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신경망과 역전파 · 강의자료
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인공지능 · 딥러닝의 문법

신경망과
역전파

다층 신경망의 구조와 역전파를 살펴본다. 계산그래프로 미분을 계산하고, 분류 손실 함수와 깊은 신경망의 학습 문제를 알아본다.

선형회귀 → 교차엔트로피6개 장해설 · 실습 포함원문 출처 링크
1986년, 네이처

다층 신경망과 역전파

은닉층을 사용하면 단층 퍼셉트론으로 풀 수 없는 XOR을 표현할 수 있다. 다층 신경망의 학습에는 중간층의 가중치에 대한 손실의 미분을 계산하는 방법이 필요하다. 1986년 Rumelhart, Hinton, Williams의 논문은 역전파를 통한 표현 학습을 널리 알렸다.

역전파는 연쇄법칙을 이용해 각 가중치에 대한 손실의 미분을 효율적으로 계산한다. 이 방법은 오늘날의 대규모 신경망 학습에도 사용된다.

계산그래프를 이용해 순전파 결과와 역전파의 미분값을 직접 계산한다.

내려가는 법손실을 미분해 반대 방향으로: 경사하강법이라는 단 하나의 원리
거꾸로 곱하는 법체인룰 3항 → 계산그래프의 두 규칙(덧셈은 통과, 곱셈은 교환)
깊어질 때의 병기울기 소실은 0.25의 거듭제곱이라는 산수: 처방은 ReLU와 교차엔트로피

출처 Rumelhart, Hinton & Williams, "Learning representations by back-propagating errors", Nature 323, 1986: nature.com

01
회귀

선형회귀와 경사하강법

선형회귀의 손실 함수를 정의하고, 기울기에 따라 파라미터를 갱신하는 경사하강법을 살펴본다.

문제 설정

데이터를 가장 잘 설명하는 직선

선형회귀는 f(x) = Wx + b의 W(기울기→가중치)와 b(절편→바이어스)를 찾는 문제다. "가장 잘"의 기준은 직선과 데이터 사이 간격이다.

공부 시간과 성적 산점도 위에 회귀 직선과 각 점에서 직선까지의 붉은 잔차 선분이 그려진 그림
그림 1. 붉은 세로선들이 잔차(오차)다. 이것을 제곱해 합한 값이 손실 함수(MSE)이며, 손실을 최소로 만드는 W, b가 "가장 잘 설명하는 직선"의 수학적 정의다. 제곱하는 이유: 위아래 오차가 상쇄되지 않게 하고, 큰 오차에 더 큰 벌점을 주기 위해서다.
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변수가 하나뿐인 선형회귀는 미분해서 0이 되는 지점을 공식으로 바로 구할 수 있다(최소제곱법). 그런데도 굳이 "조금씩 내려가는" 반복법을 배우는 이유는, 신경망처럼 파라미터가 수백만 개인 문제에는 닫힌 공식이 없기 때문이다: 반복법만이 유일하게 통하는 일반 해법이다.

주의 하나: 회귀가 찾는 것은 상관관계이지 인과관계가 아니다. 아이스크림 판매량으로 익사 사고를 "예측"하는 직선은 잘 그어지지만, 아이스크림이 사고의 원인은 아니다(둘 다 여름의 결과다).

생각해 볼 질문: 잔차를 제곱하는 대신 절댓값을 쓰면 무엇이 달라지는가? 이상치(outlier) 하나가 있을 때 두 방식의 직선은 어떻게 다르게 반응할까?

핵심 원리 · 조작 실습

경사하강법의 원리

손실 함수의 미분값(그래디언트)이 양수면 가중치를 줄이고, 음수면 키운다: 미분값의 반대 방향으로, 학습률 α만큼 움직이는 것이 경사하강법이다.

w ← w − α · dE/dw
예: E(w) = (w−3)² 이면 dE/dw = 2w−6. w=0에서 미분 −6(음수) → w를 키운다 → 정답 3에 다가간다
직접 해보기 1 · 조작

학습률을 돌려 보며 골짜기 내려가기

실습 목표: 학습률이 "너무 작으면 느리고, 너무 크면 발산한다"를 눈으로 확인한다. 손실은 E(w) = (w−3)², 출발점은 w = −2다.

실습 방법: α=0.1, 0.9, 1.05로 각각 초기화하고 10스텝을 실행한다. 확인할 내용: 학습률에 따른 수렴 속도와 진동, 발산 여부를 비교한다. 수렴 가능한 학습률의 범위는 이 예제의 손실 함수에 대한 결과다.

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이 포물선에서 발산 경계가 정확히 α=1인 것은 우연이 아니라 계산 결과다. w ← w − α(2w−6)를 정리하면 (w−3)이 매 스텝 (1−2α)배가 된다. |1−2α|<1이면 수렴, 즉 0<α<1. 실제 신경망의 손실 지형은 이렇게 깨끗한 포물선이 아니어서 안전한 학습률을 공식으로 못 구한다: 그래서 학습률은 지금도 실무에서 가장 먼저 튜닝하는 하이퍼파라미터다. 학습률이 지나치게 크면 최솟값을 넘어 진동하거나 발산할 수 있다. 모멘텀은 이전 갱신 방향을 반영해 학습을 개선하는 방법이다.

생각해 볼 질문: 학습 초반에는 크게, 후반에는 작게 움직이고 싶다. 학습률을 어떻게 다뤄야 할까? (실무의 "학습률 스케줄"이 그 답이다)

두 가지 실패

과대적합과 과소적합

학습 데이터 성적과 새 데이터 성적의 조합으로 모델의 상태를 진단한다. 둘 다 좋아야 일반화다.

과대적합 (overfitting)훈련 성능에 비해 새로운 데이터의 성능이 낮다. 데이터의 잡음에 과도하게 맞춰진 경우이며, 정규화 등으로 완화할 수 있다.
과소적합 (underfitting)학습 데이터에서조차 성능이 나쁘다. 모델이 문제보다 단순한 경우가 많다: XOR에 단층 퍼셉트론을 쓴 것이 정확히 이 상태였다.
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진단 도구는 검증 손실 곡선이다. 훈련 손실은 계속 내려가는데 검증 손실이 어느 순간부터 올라가기 시작하면, 그 지점부터 모델은 일반화가 아니라 암기를 한다. 이 곡선 두 개를 겹쳐 그리는 습관이 실무 딥러닝의 기본 계기판이다.

생각해 볼 질문: 훈련 손실과 검증 손실이 둘 다 높은 채로 나란히 정체되어 있다면, 과대적합인가 과소적합인가? 다음 조치는?

02
MLP

은닉층과 활성화 함수

비선형 활성화 함수를 포함한 은닉층은 XOR과 같은 비선형 문제를 표현할 수 있다.

구조

은닉층이 XOR을 푸는 방법

입력층과 출력층 사이에 은닉층을 둔 신경망을 다층 퍼셉트론(MLP)이라 한다. 이 예제에서는 두 은닉 유닛의 출력을 조합해 XOR을 분류한다.

2-2-1 다층 퍼셉트론 구조와, 은닉 유닛 두 개가 만드는 두 직선 사이의 띠로 XOR이 분리되는 좌표 그림
그림 2. 두 직선은 은닉 유닛 h₁과 h₂의 결정 경계다. 출력층은 두 은닉 유닛의 결과를 조합해 XOR의 네 입력을 분류한다.
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충분한 수의 은닉 유닛과 적절한 비선형 활성화 함수를 사용하면 신경망은 다양한 연속 함수를 근사할 수 있다. 다만 이를 표현할 수 있다는 것과 학습으로 적절한 파라미터를 찾는 것은 구분해야 한다.

생각해 볼 질문: 은닉 유닛이 3개라면 입력 공간을 최대 몇 개의 영역으로 나눌 수 있을까?

활성화 함수

비선형 활성화 함수의 역할

여러 개의 선형 함수를 결합해도 결국 하나의 선형 함수와 같다는 사실은 수학적으로 증명되어 있다. 층 사이의 비선형 활성화 함수가 없다면, 백 층을 쌓아도 퍼셉트론 하나다.

계단, 시그모이드, ReLU, tanh 네 활성화 함수의 그래프
그림 3. 계단 함수는 임계점에서 미분할 수 없고 다른 구간의 미분은 0이므로 일반적인 역전파 학습에 적합하지 않다. 시그모이드는 매끄럽지만 포화 구간의 미분값이 작다. ReLU는 양수 구간에서 미분값이 1이다.
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은닉층 h = W₁x와 출력 y = W₂h를 결합하면 y = (W₂W₁)x이므로 하나의 선형 변환과 같다. 사이에 비선형 함수 σ를 넣은 y = W₂σ(W₁x)는 일반적으로 하나의 선형 변환으로 정리할 수 없다.

생각해 볼 질문: ReLU는 0에서 꺾이는 것 말고는 두 조각 모두 선형이다. 그런데 왜 "비선형 함수"로서 자격이 있는가?

03
1986

연쇄법칙과 역전파

가중치에 대한 손실의 미분은 계산 경로에 있는 각 연산의 미분을 곱해 구한다.

발상

순전파, 역전파, 가중치 갱신

순전파로 예측값과 손실을 계산한다. 역전파로 각 가중치에 대한 손실의 미분을 구한 뒤, 경사하강법으로 가중치를 갱신한다.

  1. 순방향 패스: 입력이 은닉층을 거쳐 출력층으로 전파된다.
  2. 오차 계산: 손실 함수로 정답과 출력의 차이를 잰다.
  3. 역전파: 출력층에서 입력층 방향으로 각 가중치에 대한 손실의 미분을 계산한다.
  4. 갱신: 1장의 경사하강법 그대로: w ← w − α·∂E/∂w. 그리고 1로 돌아간다.
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가중치를 하나씩 바꿔 손실의 변화를 계산하는 수치 미분은 파라미터 수가 많을 때 비용이 크다. 역전파는 순전파에서 구한 중간값을 재사용해 모든 가중치의 미분을 효율적으로 계산한다.

생각해 볼 질문: 역방향 패스가 출력층"에서" 시작해야만 하는 이유를 체인룰의 구조에서 찾아보자.

유도

세 개의 변화율

출력 노드 j로 들어가는 가중치 w에 대한 손실의 미분은, 체인룰에 의해 세 항의 곱으로 쪼개진다. 각 항은 전부 이미 아는 값이다.

∂E/∂w = ∂E/∂out · ∂out/∂net · ∂net/∂w
① 출력이 변하면 오차가 얼마나? = (out − 정답)   — MSE의 미분
② 입력합이 변하면 출력이 얼마나? = σ′(net)   — 활성화 함수의 미분
③ 가중치가 변하면 입력합이 얼마나? = 그 가중치에 곱해지는 입력값

은닉층 가중치도 원리가 같다: 다만 ①이 "그 은닉 유닛이 영향을 주는 모든 다음 층 노드의 책임을 합산"하는 것으로 바뀔 뿐이다. 이 합산의 연쇄가 층을 거슬러 올라가는 것이 "전파"라는 이름의 이유다.

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시그모이드의 미분은 σ′ = σ(1−σ)이므로 출력값을 이용해 계산할 수 있다. 최댓값은 0.25이며, 깊은 신경망에서는 작은 미분값의 반복 곱이 기울기 소실의 원인이 될 수 있다. 실제 기울기에는 가중치도 함께 영향을 준다.

생각해 볼 질문: ③이 "입력값"이라는 것은, 입력이 0인 연결의 가중치는 그 샘플에서 전혀 학습되지 않는다는 뜻이다. 이것이 문제가 되는 상황을 상상해 보자.

실행 실습

XOR 신경망 학습 실습

2-2-1 신경망으로 XOR을 학습한다. 학습 중 손실, 은닉 유닛의 결정 경계, 출력 곡면이 어떻게 변하는지 확인한다.

직접 해보기 2 · 실행

2-2-1 신경망의 XOR 학습

실습 목표: 은닉층과 역전파를 사용한 신경망이 XOR을 학습하는 과정을 확인한다.

실습 방법: [학습 시작]을 누르고 결과를 확인한 뒤, 초기화하여 여러 번 실행한다. 확인할 내용: 초기값에 따른 손실과 결정 경계의 차이, 네 입력의 최종 예측을 비교한다. 출력 곡면을 드래그해 각 입력에서의 출력값도 확인한다. 실행에 따라 학습이 정체될 수 있다.

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이 위젯의 학습 코드는 앞 카드의 3항 유도를 그대로 옮긴 20줄이다: dy=(y−t)·y(1−y)가 ①×②, 거기에 h를 곱해 출력층 가중치의 미분을, W₂를 곱하고 h(1−h)를 곱해 은닉층으로 책임을 넘긴다. 실습 노트북(XORnetwork.ipynb)에서 같은 구조를 numpy로 다시 만나고, 각 층의 계산식을 숫자로 출력해 보게 된다.

생각해 볼 질문: 초기 가중치를 전부 0으로 두면 이 학습은 어떻게 되는가? (힌트: 두 은닉 유닛이 완전히 같은 미분을 받는다: "대칭 깨기" 문제)

04
계산그래프

계산그래프: 사과 2개와 귤 3개

덧셈과 곱셈 노드의 미분 규칙을 이용해 계산그래프의 역전파를 구한다.

국소적 계산

계산그래프의 구성

100원짜리 사과 2개와 150원짜리 귤 3개를 구입하고 소비세 10%를 낸다. 이 계산을 연산 노드와 값을 전달하는 연결선으로 나타낸다.

사과와 귤 구매 계산그래프. 곱셈과 덧셈 노드를 거쳐 지불금액 715원이 계산되고, 역방향으로 각 값의 미분이 표시된다
그림 4. 검정(위)은 왼쪽→오른쪽의 순전파, 적갈(아래)은 오른쪽→왼쪽의 역전파다. 역전파 값의 뜻을 하나만 정확히 읽자: 사과 가격 자리의 2.2는 "사과가 1원 오르면 지불금액이 2.2원 오른다"(2개 × 세금 1.1배)는 민감도다. 신경망의 ∂E/∂w가 정확히 이런 민감도이고, 계산 방법도 이 그래프와 동일하다.
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복잡한 식도 단순한 연산의 연결로 나타낼 수 있다. 순전파에서 저장한 중간값과 각 연산의 미분을 이용해 역전파를 계산한다. PyTorch와 TensorFlow의 자동 미분도 이러한 계산그래프를 활용한다.

생각해 볼 질문: 그림에서 귤 가격의 미분(3.3)을 "국소적 규칙"만으로 재구성해 보자. 어떤 값들이 곱해졌는가?

출처 계산그래프 예제의 원전: 사이토 고키, 『밑바닥부터 시작하는 딥러닝』, 한빛미디어, 2017 (5장).

두 규칙

덧셈 노드와 곱셈 노드의 역전파

덧셈과 곱셈의 미분 규칙을 먼저 확인한다. 다른 연산도 해당 연산의 도함수를 이용해 같은 방식으로 연결할 수 있다.

덧셈 노드 z = x + y∂z/∂x = 1, ∂z/∂y = 1: 뒤에서 온 미분값을 그대로 복제해 양쪽에 전달한다. (1.3이 오면 양쪽 다 1.3)
곱셈 노드 z = x·y∂z/∂x = y, ∂z/∂y = x: 뒤에서 온 미분값에 순전파 때의 상대편 값을 곱해 전달한다. (1.3이 오면 x쪽엔 1.3y, y쪽엔 1.3x)

기말고사 단골인 z = (x + y)² 유형도 이 규칙 둘로 끝난다: t = x+y (덧셈), z = t² (제곱, ∂z/∂t = 2t). 역전파는 1 → 2t로 내려온 뒤, 그 2t가 x와 y에 그대로 복제된다. x=3, y=2면 ∂z/∂x = ∂z/∂y = 2(3+2) = 10.

직접 해보기 3 · 계산기

계산그래프 순전파·역전파 계산기

실습 목표: 입력값을 바꾸며 계산그래프의 순전파 결과와 각 입력에 대한 미분값을 확인한다.

실습 방법: 사과 가격을 10원 올려 지불금액이 22원 증가하는지 확인한다. 이후 z=(x+y)² 예제로 바꾸고 입력값을 조절한다. 확인할 내용: 미분은 해당 지점의 변화율이다. 선형 예제에서는 변화량을 정확히 계산하며, 비선형 예제에서는 작은 입력 변화에 대한 근사값을 제공한다.

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계산 순서: ① 노드에 연산, 연결선에 값을 표시한다. ② 순전파 값을 계산한다. ③ 출력에서 미분값 1로 시작해 연쇄법칙을 역방향으로 적용한다. ④ 각 입력에 대한 미분값을 기록한다. 검산할 때는 입력을 충분히 작은 ε만큼 바꾸고 (f(x+ε)−f(x))/ε와 비교한다.

생각해 볼 질문: z = (x+y)² 에서 x와 y의 미분이 항상 같은 이유를 그래프 구조에서 설명해 보자.

05
CE

소프트맥스와 교차엔트로피

소프트맥스는 클래스별 점수를 확률로 변환한다. 교차엔트로피는 정답에 부여한 예측 확률을 기준으로 손실을 계산한다.

출력층의 표준

점수를 확률로: 소프트맥스

분류 신경망의 출력층은 클래스별 점수를 낸다. 소프트맥스는 이 점수들을 "합이 1인 확률분포"로 바꾼다: 큰 점수는 크게, 작은 점수는 작게, 순서는 그대로다.

softmax(zᵢ) = e^zᵢ / Σⱼ e^zⱼ
예: 점수 [2.0, 1.0, 0.1] → 확률 [0.66, 0.24, 0.10] — 합이 1, 전부 양수, 순서 유지

다중 클래스 분류에서는 소프트맥스 출력과 교차엔트로피 손실을 흔히 사용한다. 이 조합은 정답 클래스의 확률을 높이도록 학습하며, 출력 점수에 대한 미분도 간단히 계산할 수 있다.

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소프트맥스와 교차엔트로피를 함께 사용하면 출력 점수 z에 대한 손실의 미분은 ∂L/∂z = ŷ − y로 정리된다. ŷ는 예측 확률, y는 정답의 원-핫 벡터다. 정답 클래스의 예측 확률이 0.3이면 해당 점수의 미분은 −0.7, 0.99이면 −0.01이다.

계산 안정성 메모: e^z는 z가 크면 오버플로하므로, 실제 라이브러리는 최댓값을 빼고 계산한다(LogSumExp 트릭). "내 코드에서 nan이 떴다"의 단골 원인이다.

생각해 볼 질문: 소프트맥스 대신 점수를 합으로 나누면 음수 점수나 합이 0인 경우에 어떤 문제가 생기는가?

출처 softmax 명명: Bridle, "Probabilistic Interpretation of Feedforward Classification Network Outputs", 1990: springer.com

정보이론

엔트로피와 정보량

확률이 1/2, 1/4, 1/8처럼 표현되는 예제에서 엔트로피는 효율적인 이진 질문의 평균 횟수로 이해할 수 있다. 네 결과가 같은 확률로 나타나면 두 번의 질문으로 구분할 수 있다.

  1. 균등 분포 [¼,¼,¼,¼]의 기계: 어떤 문자든 질문 2개 → 엔트로피 = 0.25×2 × 4 = 2
  2. 치우친 분포 [½,⅛,⅛,¼]의 기계: A는 질문 1개, D는 2개, B·C는 3개 → 엔트로피 = 0.5×1 + 0.25×2 + 0.125×3×2 = 1.75
  3. 치우친 기계에 균등 전략(항상 반반 질문)을 쓰면: 기댓값 2: 최적(1.75)보다 0.25 낭비

교차엔트로피는 실제 분포 p에 대해 모델 분포 q를 사용했을 때의 평균 정보량 −Σp log q다. 이 예제에서는 q를 기준으로 구성한 질문 전략의 평균 길이로 해석할 수 있다. q=p일 때 엔트로피와 같아진다.

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가능한 결과 수가 같으면 균등 분포에서 엔트로피가 최대다. 교차엔트로피는 엔트로피보다 작지 않으며, 두 분포가 같으면 같아진다. 의사결정트리의 정보이득도 분할 전후 엔트로피의 감소량을 이용한다.

생각해 볼 질문: 스무고개를 잘하는 사람의 전략을 엔트로피의 언어로 설명해 보자.

출처 Shannon, "A Mathematical Theory of Communication", Bell System Technical Journal, 1948: ieeexplore.ieee.org

손계산 · 계산 실습

교차엔트로피 계산 예제

정답이 원-핫이면 교차엔트로피는 한 항만 남는다: 정답 클래스에 준 확률의 −log. 3개 샘플이면 각각 계산해 평균을 낸다.

CE = −Σᵢ pᵢ·ln(qᵢ) = −ln(q정답)   — 정답이 원-핫 [0,…,1,…,0]일 때
샘플1: 예측 [0.1, 0.3, 0.6], 정답 3번 → −ln 0.6 = 0.51
샘플2: 예측 [0.2, 0.6, 0.2], 정답 2번 → −ln 0.6 = 0.51
샘플3: 예측 [0.3, 0.4, 0.3], 정답 1번 → −ln 0.3 = 1.20   → 평균 = 0.74
직접 해보기 4 · 계산기

예측 분포를 움직이며 CE 관찰하기

실습 목표: 정답 클래스의 예측 확률과 교차엔트로피의 관계를 확인한다. 슬라이더 값은 합이 1이 되도록 정규화된다.

실습 방법: 정답 클래스의 예측 확률을 0.6, 0.3, 0.1로 바꾼다. 확인할 내용: 자연로그 기준 교차엔트로피가 약 0.51, 1.20, 2.30으로 증가하는지 확인한다.

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용어 정리 두 가지. ① 클래스가 둘이면 같은 식이 BCE(이진 교차엔트로피)로 줄고, 로지스틱 회귀의 log loss와 동일한 식이 된다. 셋 이상이면 Categorical CE이고 정답을 원-핫 인코딩으로 준다. ② 입력 특징의 표준화(평균 0, 분산 1)와 정답의 원-핫 인코딩은 학습 전 데이터 준비의 표준 절차다: 나이 30과 배기량 3800처럼 스케일이 다른 특징을 그대로 넣으면 큰 수가 학습을 지배한다.

생각해 볼 질문: 모델이 정답에 확률 1.0을 주면 CE는 0이다. 그런데 실무에서는 정답을 0.9로 낮춰 학습시키기도 한다(label smoothing). 왜일까? (힌트: M2의 환각·과신)

06
소실 · 과적합

깊은 신경망의 학습 문제와 개선 방법

기울기 소실과 과대적합의 원인을 살펴보고, 활성화 함수와 정규화 등 개선 방법을 비교한다.

진단 · 계산 실습

시그모이드와 기울기 소실

시그모이드의 미분값은 최대 0.25다. 활성화 함수의 미분만 10번 곱하면 0.25¹⁰로 작아진다. 이는 기울기 소실을 설명하기 위한 단순화이며, 실제 역전파에는 가중치 행렬의 곱도 포함된다.

시그모이드 도함수의 최댓값이 0.25임을 보이는 그래프와, 층수에 따라 0.25의 거듭제곱으로 신호가 감쇠하는 로그 그래프. ReLU는 1로 유지된다
그림 5. 시그모이드의 미분은 입력이 0일 때 최대 0.25이고, 포화 구간에서는 0에 가까워진다. 오른쪽은 활성화 함수의 미분값을 반복해서 곱한 예다. ReLU는 양수 구간에서 미분값이 1이므로 이 요인에 의한 감소를 줄인다.
직접 해보기 5 · 계산기

층수 × 곱해지는 값 → 남는 신호

실습 목표: 작은 미분값을 반복해서 곱할 때 결과가 얼마나 빠르게 감소하는지 확인한다.

실습 방법: 미분값을 0.25로 두고 층수를 10, 20, 40으로 늘린다. 같은 층수에서 미분값을 1.0으로 바꿔 비교한다. 확인할 내용: 이 계산은 활성화 함수의 미분만 반복해서 곱한 결과이며, 실제 신경망의 전체 기울기를 계산한 값은 아니다.

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ReLU는 음수 구간의 미분이 0이므로 일부 유닛의 학습이 정체될 수 있다. Leaky ReLU는 음수 구간에도 작은 기울기를 둔다. 배치 정규화와 층 정규화도 학습 안정화에 사용되며, 정규화하는 대상과 범위가 다르다.

생각해 볼 질문: 잔차 연결은 입력 정보와 기울기 전달에 어떤 도움을 주는가? M7의 어텐션과 잔차 연결 실습에서 확인한다.

과적합 처방

과대적합을 줄이는 방법

조기 종료, 정규화, 데이터 증강, 드롭아웃 등으로 과대적합을 줄일 수 있다. 모델과 데이터의 특성에 맞춰 선택한다.

① 조기 종료검증 손실이 더 내려가지 않으면 훈련을 멈춘다. 암기가 시작되는 지점에서 끊는 것.
② 가중치 규제가중치가 크면 결정 경계가 복잡해진다: 가중치의 크기에 벌점을 줘 단순한 경계를 유도한다.
③ 데이터 증강회전·반전·노이즈로 데이터를 불린다. 외울 대상이 많아지면 외우기보다 규칙을 찾는 쪽이 싸진다.
④ 드롭아웃학습 때마다 뉴런 일부를 무작위로 쉬게 한다. 특정 뉴런에 의존하지 못하게 되어, 같은 특징을 여러 뉴런이 중복 학습한다: 전문가 위원회 효과.
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각 방법의 효과는 데이터, 모델 구조, 학습 조건에 따라 달라진다. 검증 데이터로 일반화 성능을 비교하고, 여러 방법을 함께 적용할 때도 효과를 확인한다.

생각해 볼 질문: 드롭아웃은 학습 때만 켜고 예측 때는 끈다. 왜 그래야 하는가?

출처 Srivastava 외, "Dropout: A Simple Way to Prevent Neural Networks from Overfitting", JMLR 15, 2014: jmlr.org

07
정리

요약 정리

역전파의 계산 원리와 분류 손실 함수, 학습 안정화 방법을 정리한다.

핵심 내용

  1. 역전파는 연쇄법칙으로 미분을 계산한다. 순전파의 중간값을 재사용해 각 가중치에 대한 손실의 미분을 구한다.
  2. 깊은 신경망에서는 기울기가 작아지거나 커질 수 있다. 활성화 함수, 가중치 초기화, 정규화, 잔차 연결 등이 학습 안정성에 영향을 준다.
  3. 분류에서는 소프트맥스와 교차엔트로피를 함께 사용한다. 이때 출력 점수에 대한 손실의 미분은 예측 확률과 정답 벡터의 차이로 계산된다.
다음 장

다음 장에서는 이미지와 시퀀스를 처리하는 CNN과 RNN, 데이터를 생성하는 오토인코더와 GAN을 살펴본다. 각 구조의 특징과 계산 방법을 비교한다.

한국외국어대학교 기술경영학부 · 경영정보 · 본문 도표(그림 1–5)는 직접 제작. 교차엔트로피 수치 예(0.51/0.51/1.20 → 평균 0.74)는 강의 보조 자료의 계산을 자연로그 기준으로 재검산한 값이다.
※
출처

참고문헌

공개 원문 우선. 링크는 2026년 8월 확인 기준.

1차 문헌

  1. Rumelhart, D. E., Hinton, G. E., & Williams, R. J. (1986). Learning Representations by Back-propagating Errors. Nature, 323, 533–536. nature.com
  2. Shannon, C. E. (1948). A Mathematical Theory of Communication. Bell System Technical Journal, 27. ieeexplore.ieee.org
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교재 · 보조 자료

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  2. 사이토 고키 (2017). 밑바닥부터 시작하는 딥러닝. 한빛미디어.: 계산그래프(사과·귤) 예제의 원전.
  3. 수업 보조 자료. Softmax와 Cross Entropy의 유도 · 크로스엔트로피 손계산 워크시트 · 정규화 3종 비교: 강의 홈에서 배포.
인용 원칙

수치 예(시그모이드 도함수 최댓값 0.25, CE 0.51/1.20, 발산 경계 α=1)는 본문에 유도 과정을 제시했거나 실습 위젯으로 직접 재현 가능하게 했다. 역전파의 "재발견"(1986) 표기는 그 이전의 독립적 제안들(Werbos 1974 등)이 있었음을 반영한 것이다.