梯度下降（Gradient Descent）

Posted 2020-10-07 Peyton_Li

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　　在求解机器学习算法的优化问题时，梯度下降是经常采用的方法之一。

　　梯度下降不一定能够找到全局最优解，有可能是一个局部最优解。但如果损失函数是凸函数，梯度下降法得到的一定是全局最优解。

　　梯度下降的相关概念：

　　　　1、步长或学习率（learning rate）：步长和学习率是一个东西，只是在不同的地方叫法不一样，以下叫做步长。步长决定了在梯度下降过程中，每一步沿梯度负方向前进的长度。

　　　　2、假设函数（hypothesis function）：也就是我们的模型学习到的函数，记为。

　　　　3、损失函数（loss function）：为了评估模型的好坏，通常用损失函数来度量拟合的程度。在线性回归中，损失函数通常为样本label和假设函数输出的差的平方，比如对样本，采用线性回归，损失函数为：

　　　　　　　　

　　梯度下降算法：

　　　　1、先决条件：确认优化模型的假设函数和损失函数

　　　　2、参数的初始化：初始化假设函数的参数（是一个向量），算法终止距离以及步长

　　　　3、算法过程：

　　　　　　1）确定当前位置的损失函数的梯度，对于，其梯度如下：

　　　　　　　　　　

　　　　　　2）确定是否所有的，梯度下降的距离都小于，如果小于则算法终止，当前所有的即为最终结果。否则进入步骤3

　　　　　　3）更新所有的，对于，其更新表达式如下。更新完毕后进入步骤1

　　　　　　　　　　

　　以上为梯度下降算法。

　　梯度下降法关于参数更新方式的不同又可分为：

　　　　1、批量梯度下降法（Batch Gradient Descent（BGD））

　　　　2、随机梯度下降法（Stochastic Gradient Descent（SGD））

　　　　3、小批量梯度下降法（Mini-batch Gradient Descent（MBGD））

 

1、批量梯度下降法（Batch Gradient Descent（BGD））:

　　批量梯度下降法是梯度下降法最原始的形式，它的具体思路是在更新每一参数时都使用所有的样本来进行更新，其数学形式如下：

　　　　1）对上述的损失函数求偏导：

　　　　　　　　

　　　　2）由于是最小化风险函数，所以按照每个参数的梯度负方向来更新每个：

　　　　　　　　

　　　　具体的伪代码形式为：

　　　　repeat{

　　　　

　　　　(for every j=0,...,n)

　　　　}

　　从上面的公式可以看出，它得到的是一个全局最优解，但是每迭代一次，都要用到训练集所有的数据，如果样本数目m很大，那么这种迭代速度将会很慢。

　　优点：全局最优解；易于并行实现

　　缺点：当样本数目很多时，训练过程会很慢

　　从迭代次数上来看，BGD迭代的次数相对较少。

 

2、随机梯度下降法（Stochastic Gradient Descent（SGD））:

　　由于批量梯度下降法在更新每一个参数时，都需要所有的训练样本，训练过程会随着样本数量的加大而变得异常缓慢。随机梯度下降法正是为了解决批量梯度下降法这一弊端而提出的。

　　将损失函数写为如下形式：

　　　　　　

　　利用每个样本的损失函数对求偏导得到对应的梯度，来更新：

　　　　　　

　　具体的伪代码形式为：

　　　　1、Randomly shuffle dataset；

　　　　2、repeat{

　　　　for i=1,...,m{

　　　

　　　(for j=0,...,n)

　　　　}

　　　　}

　　随机梯度下降是通过每个样本来迭代更新一次，如果样本量很大的情况（例如几十万），那么可能只用其中几万条或者几千条的样本，就已经将迭代到最优解了，对比上面的批量梯度下降，迭代一次要用到所有的训练样本，一次迭代不可能最优。而且，SGD伴随的一个问题是噪音较BGD要多，使得SGD并不是每次迭代都向着整体最优化方向。

　　优点：训练速度快

　　缺点：准确度下降，并不是全局最优；不易于并行实现

　　从迭代次数上看，SGD迭代的次数较多，在解空间的搜索过程看起来有些盲目。

 

　　SGD方法的一个缺点是，其更新方向完全依赖于当前的batch，因而其更新十分不稳定。解决这一问题的一个简单的做法便是引入momentum。

　　momentum即动量，它模拟的是物体运动时的惯性，即更新的时候在一定程度上保留之前更新的方向，同时利用当前batch的梯度微调最终的更新方向。这样一来，可以在一定程度上增加稳定性，从而学习地更快，并且还有一定摆脱局部最优的能力： 

其中，即momentum，表示要在多大程度上保留原来的更新方向，这个值在0-1之间，在训练开始时，由于梯度可能会很大，所以初始值一般选为0.5；当梯度不那么大时，改为0.9。是学习率，即当前batch的梯度多大程度上影响最终更新方向，跟普通的SGD含义相同。和之和不一定为1。

3、小批量梯度下降法（Mini-batch Gradient Descent（MBGD））：

　　由上述的两种梯度下降法可以看出，其各自均有优缺点。而小批量梯度下降法（Mini-batch Gradient Descent（MBGD））则在这两种方法的性能之间取得一个折中，即算法的训练过程比较快，而且也保证最终参数训练的准确率。

　　MBGD在每次更新参数时使用b个样本（b一般为10），其具体的伪代码形式为：

　　　　set b=10, m=1000

　　　　Repeat{

　　　for i=1,11,21,31,991{

　　

　　(for every j=0,...,n)

　　}

　　}

 

参考博客：

http://www.cnblogs.com/pinard/p/5970503.html

http://www.cnblogs.com/maybe2030/p/5089753.html