内容发布更新时间 : 2024/5/17 20:09:46星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

1. 梯度下降法(Gradient descent)

梯度下降法，通常也叫最速下降法(steepest descent)，基于这样一个事实：如果实值函数 f(x) 在点x处可微且有定义，那么函数 f(x) 在 x点沿着负梯度(梯度的反方向)下降最快。

假设x是一个向量，考虑f(x) 的泰勒展开式：

f(xk??xk)?f(xk)??f(xk)?xk?o((?xk)2)?f(xk)??f(xk)?xk,其中?xk?xk?1?xk??kdk(?k为步长标量；dk是方向向量)

如果想要函数值下降，则要?f(xk)?xk?||?f(xk)||?||?xk||?cos??f(xk),?xk??0。如果想要下降的最快，则需要?f(xk)?xk取最小值，即cos??f(xk),?xk???1，也就是说，此时x的变化方向(?xk的方向)跟梯度?f(xk)的方向恰好相反。

xk?1?xk??k梯度法迭代公式：?f(xk)||?f(xk)|| 那么步长如何选取呢？的确，很难选择一个合适的固定值，如果较小，会收敛很慢；如果较大，可能有时候会跳过最优点，甚至导致函数值增大；因此，最好选择一个变化的步长，在离最优点较远的时候，步长大一点，离最优点较近的时候，步长小一点。

小?k大?k变化的?k

一个不错的选择是?k??||?f(xk)||，于是牛顿迭代公式变为：

xk?1?xk???f(xk)，

此时?是一个固定值，称为学习率，通常取0.1，该方法称为固定学习率的梯度下降法。 另外，我们也可以通过一维搜索来确定最优步长。

1.1 梯度下降法的一般步骤：

Step1给定初始点

x0,迭代精度??0，k=0.

dk???f(xk)||?f(xk)|| Step2 计算?f(xk)，如果||?f(xk)||??,停止；否则，计算搜索方向Step3 计算最优步长

?k?argminf(xk??dk)?；

Step4 更新迭代点

初始点的选取： 设

xk?1?xk??kdk，令k:?k?1, 转step2。

x0?(x0,1,...,x0,n)，对每一个分量分别独立取值

x0,i~N(0,?i2)

梯度下降法简单，计算量小，仅仅需要求一阶导数，对初始点也没有特殊要求，具有整体收敛性。采用精确线搜索的梯度下降法的收敛速度为线性。

精确线搜索满足的一阶必要条件，得?f(xk??kdk)Tdk??f(xk?1)dk?0，由最速下降法得，dk???f(xk)，因此有??f(xk?1)?f(xk)??dk?1dk?0，即：相邻两次的搜索方

向是相互直交的（投影到二维平面上，就是锯齿形状了）。

最后，我们讨论一个问题，这个所谓的最速下降法真的是“最快速”的吗？其实，它只是局部范围内具有最快速性质,对整体求解过程而言，它的下降非常缓慢。 例如, 我们来看一个常被用来作为最优化算法的performance test函数：Rosenbrock函数

f(x,y)?(1?x)2?100(y?x2)2，它在

点 (1,1) 处取得最小值0。此函数具有狭窄弯曲的山谷，最小值(1,1)就在这些山谷之中，并且谷底很平。优化过程是之字形的向极小值点靠近，速度非常缓慢（\之字型\下降，越靠近极小点下降越缓

慢）。

1.2 批量梯度法VS随机梯度法

梯度下降法每次更新都要对全体样本重新计算整个梯度，这种方法叫做批量梯度法(Batch Gradient Descent)，当样本点很多时，这种方法速度很慢；于是，人们不再追求精确计算梯度方向，而是采取一种近似计算的思想，每次只利用一个训练样本计算梯度，来更新x，这种方法叫做随机梯度法（Stochastic Gradient Descent）。需要特别注意的一点是，随机梯度法最后的最优值不是计算过程中的任何一个xk(注意不是最后一个xk哦), 而是计算过

1N程中所有的xk平均值(各分量分别求平均值)，即x??xk。

Nk?1*通常，SGD能比BGD更快地收敛到最优点，因此更适合大数据的计算。然而，对SGD而言，选择一个合适的终止条件是比较困难的。一个可选的办法是用validation, 在验证集上测试当前参数的效果，如果效果可以，就保存起来，当很长一段时间都是此效果的话那么就迭代停止。