机器学习笔记：SGD （stochastic gradient descent）的隐式正则化

Posted 2021-10-17 UQI-LIUWJ

1 随机梯度下降的梯度

对于满足分布D的数据集，我们做以下标记：

mini-batch的梯度，也就是SGD带来的梯度，可以看成是期望的梯度加上一个误差项

 

 那么，这个误差项，对于机器学习任务来说，有没有增益呢？

结论是：对于优化问题来说，可以逃离鞍点、极大值点，有时也可以逃离一些不好的极小值点

SGD的隐式正则化：找寻宽的极小值点（flat optima）

2 逃离极大值和鞍点 

首先回顾一下这张图：

当一阶导数为0的时候，根据二阶导数（hessian矩阵）的正定和负定性，我们可能出现极小值、极大值和鞍点三种情况

 使用SGD后，当我们有一个微小的误差扰动后，我们就可以逃离鞍点和局部极大值了。

3 收敛到flat minimum

对于比较sharp的局部极小值，x一点点的不同就会导致f(x)很大的区别。所以落入sharp minimum就需要很精准的梯度下降。

而SGD是自带小误差的，所以不太会落入sharp minimum

 至于为什么不希望落入sharp minimum，我们可以通过下面这个例子说明

红色和蓝色代表了两个类别，我们希望找到它们的边界。

左图所有的红色点都是在红颜色的区域内，蓝色点都在蓝颜色的区域内。所以边界很平缓。通过SGD可以很合理地学习他的边界；

右图某一个红/蓝点周围全是另外一个颜色的区域，这样的边界是很sharp的。（这很可能是训练集的问题）。如果使用全数据进行训练，那么就会这几个特定的点被分类成一个类别，它们周围的区域则是另一个类别。

但是对于右图，换一个测试集，可能那些特殊的点就不存在了（因为不是每个数据集都会有这些error的）。所以全数据集训练的话，可能会导致训练集和测试集的效果不相当。

但是对于右图，如果我们使用SGD的话，这些单独的点（也就是sharp minimum点），会由于SGD的微小扰动而不会最终收敛到这些点。

4 跳出不好的局部极小值 

局部极小值在实际问题中是很常见的：

SGD带来的小量波动，可以让我们跳出上图红圈的那些不好的局部最小值