最小值的最优化问题

Posted 2022-01-11 cynthiawendy

无约束极小值的最优化条件：

 

关于多元函数极小值点的必要条件：

满足的点称之为f(x)的驻点或稳定点，但是反过来，满足梯度条件的点不一定是f(x)的局部极小值。因此，定理转化为求解下面的方程组问题：  

                         

 

　　对于上面的线性方程组，利用解析法（如高斯消元法、矩阵三角分解法等）可以较方便求解，但是遗憾的是，f(x)一般是很复杂的非线性函数，求解非线性方程组并不比求解最优化问题简单，甚至比求解最优化问题更困难、更复杂。因此，在机器学习领域，求解最优化问题，一般不会通过解析法来求解上式，而是通过数值计算方法来直接求取函数极值。

　　迭代法是数值计算最常用的最优化方法，它的基本思想是：首先给定f(x)的一个极小值点得到初始估计x⁰，然后通过迭代的方式得到点序列x^t,如果这个点序列的极限x*逼近极小值点，那么成这个序列为极小化序列。这个极小化序列通过迭代公式可以写成：

             

　　其中d是一个方向向量，λ称为步长（或学习率），当λ和d都被确定后，也就可以唯一确定点下一个点x^k+1，并以此迭代，最后求得极小值点。

　　注意：各种迭代算法的区别就在于得到步长λ和方向d的方式不同。一个好的迭代算法应满足的两个条件：递减性和收敛性。

 

 

梯度下降：

　　梯度下降是神经网络最常用的优化方法之一。它的方向就是f在该点x⁰处函数值增长最快的方向。基于梯度的这个性质，如果把迭代的每一步沿着当前点的梯度方向的反方向进行迭代，那么就能得到一个逐步递减的极小化序列。

　　根据每一次迭代所使用的训练数据集范围不同，可以把梯度下降算法区分为：

• 　　批量梯度下降：也称之为最速下降法，误差损失函数有全量训练数据我的误差构成，因此，当数据量很大的时候，速度会非常慢，同时，它不能以在线的方式更新模型，也就是，当训练数据有新元素加入时，需要对全量的数据进行更新，效率很低。因此当前的梯度下降法一般都不会采用这个策略。
•        随机梯度下降：随机梯度下降是对批量梯度下降的改进，该算法每一次更新，只考虑一个样本数据的误差损失，因此，它的速度要远远优于批量梯度下降。更主要的是，它能进行在线的参数更新。但是缺点是：由于单个样本会出现相似或重复的情况，数据的更新会出现冗余，此外，单个数据之间的差异会比较大，造成每一次迭代的损失函数会出现比较大的波动。
•        小批量梯度下降：该算法结合了前两者的优点，克服了它们的缺点。其策略是指每次的参数更新，优化的目标函数是由n个样本数据构成，n的值一般较小，一般取到10到500之间，这种做法有3个优点：

　　　　1. 每一批的数据量较小，特别适合高效的矩阵运算，尤其是GPU的并行加速，因此虽然小批量梯度算法的训练数据要比随机梯度下降算法多，但效率上与随机梯度算法差别不大。

　　　　2. 与随机梯度下降算法相比，小批量梯度算法每一批考虑了更多的样本数据，每一批数据之间的整体差异更小、更平均，结果也更稳定。

　　　　3. 由于效率与随机梯度下降算法相当，因此小批量梯度策略同样适用于在线的模型更新。

　　

　　一般来说，当前的梯度下降算法普遍采用第三个---小批量梯度算法策略。

 

　　梯度下降中用于确定步长和方向向量的几个不同算法的策略：

　　　　　　1. 传统更新策略：vanilla策略，最简单的参数更新策略，参数沿着其梯度反方向变化。lr是学习率，预先设置的固定值超参数。

　　　　　　2. 动量更新策略：

                                     

　　　　　　3. 改进的动量更新策略：

                                        

 

 　　　　　4. 自适应梯度策略：以上方法都是对迭代方法的优化，而步长是固定的，该策略考虑学习率对着迭代次数变化而变化的自适应梯度策略。