梯度优化方法：BGD,SGD,mini_batch, Momentum，AdaGrad，RMSProp，Adam

Posted 2022-03-29 hellobigorange

文章目录

• • 目标函数
  • 三种梯度下降优化框架
  • • 1、BGD、SGD、mini_batch
    • 2、**优缺点对比：**
    • 3、**问题与挑战：**
  • 优化梯度下降法
  • • 1、动量梯度下降法（Momentum）
    • 2、Nesterov Accelarated Gradient（NAG）
    • 3、Adagrad
    • 4、RMSprop
    • 5、Adaptive momentum estimation（Adam）

目标函数

最优化：得到使目标函数$J(\theta )$​最小的$\theta$​的值。

三种梯度下降优化框架

1、BGD、SGD、mini_batch

• 优化方法（特征维数高）

  1）初始化$\theta$​
  2）最优化方法求解使$J(\theta )$​最小的$\theta$​

  • i. 批量梯度下降法（BGD）
    每一次参数更新，使用所有样本
    
  • ii. 随机梯度下降法（SGD）
    每一次参数更新，使用一个样本，可能会跳出局部最小值，效率高
    
  • iii. 1 二者综合（mini_batch）
    每一次参数更新，使用样本中的一小部分
    

2、优缺点对比：

i. 批量梯度下降法（BGD）可以确保每次向正确的方向前进，但时间慢；

ii. 随机梯度下降法（SGD）随机梯度下降每次更新不一定会沿正确方向(不稳定)，但更新快，且有可能会跳过局部最优；

iii. 1 二者综合（mini_batch）更新相对较稳定，速度相对较快。

3、问题与挑战：

• 学习率的选择，$\alpha$过大，容易在极值点附近震荡；$\alpha$过小，收敛速度缓慢。
• 自动调整学习率，如退火（每次迭代衰减一个较小的阈值），也是需要固定设置阈值，无法实现自适应学习。
• 所有参数(${\theta }_1,...,{\theta }_n$​​​)的更新，都是采用同一个学习率，但是根据特征的稀疏度和不同的特征，应当选取不同的学习率。
• 对于非凸目标函数，容易陷入局部最优点。

优化梯度下降法

1、动量梯度下降法（Momentum）

梯度不仅与当前梯度有关还与之前的梯度有关，这样参数更新的方向会朝向更加有利于收敛的方向（有利于减小震荡），收敛速度更快。

上图红线为增加了动量的，黑线为SGD。

参数更新公式如下：

动量参数$\alpha <1$，一般$\le 0.9$

加上动量项就像从山顶滚下一个球，求往下滚的时候累积了前面的动量(动量不断增加)，因此速度变得越来越快，直到到达终点。同理，在更新模型参数时，对于那些当前的梯度方向与上一次梯度方向相同的参数，那么进行加强，即这些方向上更快了；对于那些当前的梯度方向与上一次梯度方向不同的参数，那么进行削减，即这些方向上减慢了。因此可以获得更快的收敛速度与减少振荡。

2、Nesterov Accelarated Gradient（NAG）

是在Momentum的基础上改进得到的一个算法，不同之处在于m每次更新时加上梯度的不同，Momentum是加上当前位置$\theta$的梯度，而NAG是加上当前位置之后一点点$\theta +\beta m$处的梯度。这样做会**使动量m指向更加正确的（局部)最优点的方向，加快收敛到极值点。NAG的参数更新公式如下：

下图为Momentum和NAG的对比图：

Momentum根据$\gamma m$和$\eta {\nabla }_1$计算m，而NAG根据$\gamma m$和$\eta {\nabla }_2$计算m，**NAG在接近极值的时候，如果超出了极值点，会把更新的方向往回拉，而不是继续往前，有利于减小震荡，加速收敛

3、Adagrad

4、RMSprop

*RMSProp算法不是像AdaGrad算法那样暴力直接的累加平方梯度，而是加了一个衰减系数来控制历史信息的获取多少。*

*在参数空间更为平缓的方向，会取得更大的进步（因为平缓，所以历史梯度平方和较小，对应学习下降的幅度较小），并且能够使得陡峭的方向变得平缓，从而加快训练速度。*

5、Adaptive momentum estimation（Adam）

	优点	缺点	适用
BGD	梯度总向正确方向前进	更新慢、实时性差、学习率难调整	小数据集
SGD	更新快、可能可以跳出局部极小	震荡严重、学习率难调整
mini-batch	收敛更稳定、速度更快	学习率难调整；所有特征用同一种学习率，但如果是稀疏特征更希望以大一点的学习率；局部极小值处容易震荡
momentum	增加收敛稳定性，减小震荡，收敛速度更快	所有特征用同一种学习率，但如果是稀疏特征更希望以大一点的学习率；
rmsprop	自动学习率调整		特征稀疏
adam	自动学习率调整		特征稀疏

参考：分享一个各种梯度下降的交互动画演示