浅析梯度下降法

Posted 2020-08-28 月夜汐枫

　　上段时间学习caffe，caffe的solver优化方法中涉及到梯度下降法。当时对梯度下降法的概念和原理都很模糊，就专门去学习了下，现在把自己的理解记录下来，一方面加深印象，一方面也方便随时查阅。如果有理解错误的地方，希望看到的予以指正，谢谢。

　　一、什么是梯度？梯度和方向导数的关系是什么？（简述，需要详细了解的可以自行搜索）　　

　　方向导数：对于一个函数f,在其定义域内存在一点k，我们把函数f在点k上任一方向的导数，叫做方向导数。

　　梯度：经过数学推理可以证明，函数f在k点的梯度方向，等于函数f在k点方向导数取最大值的方向，梯度的模为方向导数最大值。这里我们可以理解为：方向导数代表着函数在k点的变换率，当变换率最大时，梯度最长，此时函数在该点的梯度方向是向上的。

　　二、损失函数--loss function

　　损失函数描述的是预测函数“不好”的程度。　　　　

　　假设对于一组数据集(x_1,y₁),(x_2,y2),...,(xn_,yn)，假设其预测函数为h_Θ(x)，Θ为参数权重，是一个向量，x为参数，其loss函数可以定义为：

其中h_Θ(x_i)对应x_i的预测值，而y_i为其对应的真实值。

　　我们的目的：寻找到一个，使得损失函数最小。

　　三、如何使得损失函数最小--梯度下降法

　　1、梯度下降法的流程

　　 (1) 首先对随机赋值；

　　 (2) 对进行求导，并且使得按照梯度下降的方向进行减少。

　　 (3) 当梯度下降到预设值时，停止下降。此时认为损失函数在处收敛，变化率最小。

 　　2、梯度下降法公式：

含义：对于每一个，函数都沿着其下降最多的方向进行变化，直到达到一个极小值。

理解：因为梯度的方向是方向导数取最大值时的方向，此时函数在点的变化率最大且为正值，即当前梯度的方向为上升最多的方向。如果想要获得向下下降最多的方向，即取当前梯度方向的反方向即可。

　　3、举例说明(注：本例子图片来自http://blog.csdn.net/zengdong_1991/article/details/45563107)

　　看下图：

分析：

Ps：个人理解--因为梯度的方向是方向导数取最大值的方向，方向导数取最大值，一定大于0，所以此时梯度的方向就是函数变化率最大的方向且方向向上。而梯度下降发用负号使得变化的方向变为梯度下降最多的方向。

　　四、梯度下降与梯度上升

　　1、梯度上升公式：

　　

　　2、梯度下降与梯度上升区别与联系

　　其实梯度下降与梯度上升，描述的是在迭代过程中参数值更新的方向。梯度下降即参数值更新的方向与梯度本身的方向相反，即向下的方向更新；而梯度上升即参数值更新的方向与梯度的方向相同，即向上的方向更新。但是注意：无论梯度的方向是向上还是向下，在迭代过程中，梯度的模是一直下降的，因为随着梯度方向的改变，函数的变化率都是逐渐降低的，变化率降低，方向导数的最大值下降，即梯度的模值降低。

　　搞不清楚的，可以参考上图理解。

PS：写完发现自己其实理解的还是很浅显，在博文中很多表达其实都不够准确，先写成这样，等以后理解加深了，再进行修正。刚开始写博文，搞的很丑，还需改进。

参考博文：

1.http://blog.csdn.net/wolenski/article/details/8030654

2.http://blog.csdn.net/zengdong_1991/article/details/45563107

3.http://blog.csdn.net/xiazdong/article/details/7950084

4.http://www.cnblogs.com/hitwhhw09/p/4715030.html