梯度下降優化演算法

『壹』 神經網路中自適應的梯度下降優化演算法（二）

Adagrad演算法可以針對不同的參數自適應的採用不同的更新頻率，對低頻出現的特徵採用低的更新率，對高頻出現的特徵採用高的更新率，因此，對於稀疏的數據它表現的很好，很好的提升了SGD的魯棒性，在Google的通過Youtube視頻識別貓的神經網路訓練中有很好的表現。

梯度更新規則:

g(t,i)表示在t時刻目標函數對θ(i)的偏導數。SGD的每個參數的更新過程如下：

Adagrad的每個參數更新過程如下:

G(t)是一個對角矩陣，對角線上的每個元素是t時刻前所有θ(i)的梯度的平方和。ε通常取值在1e-8量級，它的存在是為了避免除數為0。一個有趣的現象是，如果沒有平方根操作，演算法的表現就非常糟糕。

Adagrad的主要缺點是，它的分母是平方梯度的累積，它的值會一直增加，最終導致學習率衰減到非常小，從而使得學習演算法無法進行下去。

TensorFlow實現:

tf.train.AdagradOptimizer(learning_rate, initial_accumulator_value=0.1, use_locking=False, name='Adagrad')

Adadelta演算法主要解決Adagrad的缺陷，它不再累加過去所有的梯度，而是僅累積過去固定個數的梯度。

Adadelta不是採用平方梯度的簡單累加，而是採用 歷史 平方梯度的衰減的平均。

γ通常等於0.9

分母相當於梯度的均方根(root mean squared, RMS)，即將所有值平方求和，求其均值，再開平方，就得到均方根值。

梯度更新規則:

將學習率η設置為

，我們就不需要提前設定學習率。

RMSprop是Geoff Hinton提出的一種自適應學習率的方法，它與Adadelta方法都是為了解決Adagrad學習率急劇下降問題的。它與Adadelta方法是一致的。

梯度更新規則

超參數設定值:

Hinton建議設定γ=0.9, 學習率η=0.001。

TensorFlow實現:

tf.train.RMSPropOptimizer.__init__(learning_rate, decay, momentum=0.0, epsilon=1e-10, use_locking=False, name='RMSProp')

Adam也是對不同的參數自適應設置不同的學習率。它對 歷史 梯度和 歷史 平方梯度同時採用指數梯度衰減(exponentially decaying average)。

梯度更新規則

Adam作者觀察到，如果m(t)和v(t)初始化為零向量，並且衰減率很小時(比如β1和β2都非常接近於1時)，在開始的迭代中，m(t)和v(t)總是向零偏移，所以需要做偏移校正。

然後用校正後的值進行梯度更新:

Adam作者建議β1=0.9,β2=0.999,ε=10^{-8}

，在實踐中，Adam比其它演算法的效果要好。

TensorFlow實現：

tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.001, beta1=0.9, beta2=0.999, epsilon=1e-08, use_locking=False, name='Adam')

Adam更新規則中的梯度縮放與 歷史 梯度的L2范數成反比。

我們可以把這個規則泛化到Lp范數。

當p值增大的時候，Lp的值往往會變得不穩定，所以在實踐中L1和L2使用的比較普遍。但是Adamax作者發現L∞可以收斂到一個穩定值。

然後我們可以採用u(t)代替

來更新Adam中的梯度。

同時u(t)不需要做零偏校正。默認取值建議：

『貳』 梯度下降演算法的原理是什麼

梯度下降是非常常用的優化演算法。作為機器學習的基礎知識，這是一個必須要掌握的演算法。藉助本文，讓我們來一起詳細了解一下這個演算法。

前言

本文的代碼可以到我的Github上獲取：

https://github.com/paulQuei/gradient_descent

本文的演算法示例通過Python語言實現，在實現中使用到了numpy和matplotlib。如果你不熟悉這兩個工具，請自行在網上搜索教程。

關於優化

大多數學習演算法都涉及某種形式的優化。優化指的是改變x以最小化或者最大化某個函數的任務。

我們通常以最小化指代大多數最優化問題。最大化可經由最小化來實現。

我們把要最小化或最大化的函數成為目標函數（objective function）或准則（criterion）。

我們通常使用一個上標*表示最小化或最大化函數的x值，記做這樣：

[x^* = arg; min; f(x)]

優化本身是一個非常大的話題。如果有興趣，可以通過《數值優化》和《運籌學》的書籍進行學習。

模型與假設函數

所有的模型都是錯誤的，但其中有些是有用的。– George Edward Pelham Box

模型是我們對要分析的數據的一種假設，它是為解決某個具體問題從數據中學習到的，因此它是機器學習最核心的概念。

針對一個問題，通常有大量的模型可以選擇。

本文不會深入討論這方面的內容，關於各種模型請參閱機器學習的相關書籍。本文僅以最簡單的線性模型為基礎來討論梯度下降演算法。

這里我們先介紹一下在監督學習（supervised learning）中常見的三個符號：

• m，描述訓練樣本的數量

• x，描述輸入變數或特徵

• y，描述輸出變數或者叫目標值

• 請注意，一個樣本可能有很多的特徵，因此x和y通常是一個向量。不過在剛開始學習的時候，為了便於理解，你可以暫時理解為這就是一個具體的數值。

訓練集會包含很多的樣本，我們用 表示其中第i個樣本。

x是數據樣本的特徵，y是其目標值。例如，在預測房價的模型中，x是房子的各種信息，例如：面積，樓層，位置等等，y是房子的價格。在圖像識別的任務中，x是圖形的所有像素點數據，y是圖像中包含的目標對象。

我們是希望尋找一個函數，將x映射到y，這個函數要足夠的好，以至於能夠預測對應的y。由於歷史原因，這個函數叫做假設函數（hypothesis function）。

學習的過程如下圖所示。即：首先根據已有的數據（稱之為訓練集）訓練我們的演算法模型，然後根據模型的假設函數來進行新數據的預測。

線性模型（linear model）正如其名稱那樣：是希望通過一個直線的形式來描述模式。線性模型的假設函數如下所示：

[h_{ heta}(x) = heta_{0} + heta_{1} * x]

這個公式對於大家來說應該都是非常簡單的。如果把它繪制出來，其實就是一條直線。

下圖是一個具體的例子，即： 的圖形：

在實際的機器學習工程中，你會擁有大量的數據。這些數據會來自於某個數據源。它們存儲在csv文件中，或者以其他的形式打包。

但是本文作為演示使用，我們通過一些簡單的代碼自動生成了需要的數據。為了便於計算，演示的數據量也很小。

import numpy as np

max_x = 10
data_size = 10
theta_0 = 5
theta_1 = 2

def get_data:
x = np.linspace(1, max_x, data_size)
noise = np.random.normal(0, 0.2, len(x))
y = theta_0 + theta_1 * x + noise
return x, y


這段代碼很簡單，我們生成了x范圍是 [1, 10] 整數的10條數據。對應的y是以線性模型的形式計算得到，其函數是：。現實中的數據常常受到各種因素的干擾，所以對於y我們故意加上了一些高斯雜訊。因此最終的y值為比原先會有輕微的偏離。

最後我們的數據如下所示：

x = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]
y = [6.66, 9.11, 11.08, 12.67, 15.12, 16.76, 18.75, 21.35, 22.77, 24.56]


我們可以把這10條數據繪制出來這樣就有一個直觀的了解了，如下圖所示：

雖然演示用的數據是我們通過公式計算得到的。但在實際的工程中，模型的參數是需要我們通過數據學習到的。所以下文我們假設我們不知道這里線性模式的兩個參數是什麼，而是通過演算法的形式求得。

最後再跟已知的參數進行對比以驗證我們的演算法是否正確。

有了上面的數據，我們可以嘗試畫一條直線來描述我們的模型。

例如，像下面這樣畫一條水平的直線：

很顯然，這條水平線離數據太遠了，非常的不匹配。

那我們可以再畫一條斜線。

我們初次畫的斜線可能也不貼切，它可能像下面這樣：

最後我們通過不斷嘗試，找到了最終最合適的那條，如下所示：

梯度下降演算法的計算過程，就和這種本能式的試探是類似的，它就是不停的迭代，一步步的接近最終的結果。


代價函數

上面我們嘗試了幾次通過一條直線來擬合（fitting）已有的數據。

二維平面上的一條直線可以通過兩個參數唯一的確定，兩個參數的確定也即模型的確定。那如何描述模型與數據的擬合程度呢？答案就是代價函數。

代價函數（cost function）描述了學習到的模型與實際結果的偏差程度。以上面的三幅圖為例，最後一幅圖中的紅線相比第一條水平的綠線，其偏離程度（代價）應該是更小的。

很顯然，我們希望我們的假設函數與數據盡可能的貼近，也就是說：希望代價函數的結果盡可能的小。這就涉及到結果的優化，而梯度下降就是尋找最小值的方法之一。

• 代價函數也叫損失函數。

對於每一個樣本，假設函數會依據計算出一個估算值，我們常常用來表示。即 。

很自然的，我們會想到，通過下面這個公式來描述我們的模型與實際值的偏差程度：

[(h_ heta(x^i) - y^i)^2 = (widehat{y}^{i} - y^i)^2 = ( heta_{0} + heta_{1} * x^{i} - y^{i})^2]

請注意， 是實際數據的值， 是我們的模型的估算值。前者對應了上圖中的離散點的y坐標，後者對應了離散點在直線上投影點的y坐標。

每一條數據都會存在一個偏差值，而代價函數就是對所有樣本的偏差求平均值，其計算公式如下所示：

[L( heta) = frac {1}{m} sum_{i=1}^{m}(h_ heta(x^i) - y^i)^2 = frac {1}{m} sum_{i=1}^{m}( heta_{0} + heta_{1} * x^{i} - y^{i})^2]

當損失函數的結果越小，則意味著通過我們的假設函數估算出的結果與真實值越接近。這也就是為什麼我們要最小化損失函數的原因。

• 不同的模型可能會用不同的損失函數。例如，logistic回歸的假設函數是這樣的：。其代價函數是這樣的：

藉助上面這個公式，我們可以寫一個函數來實現代價函數：

def cost_function(x, y, t0, t1):
cost_sum = 0
for i in range(len(x)):
cost_item = np.power(t0 + t1 * x[i] - y[i], 2)
cost_sum += cost_item
return cost_sum / len(x)


這個函數的代碼應該不用多做解釋，它就是根據上面的完成計算。

我們可以嘗試選取不同的 和 組合來計算代價函數的值，然後將結果繪制出來：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

from matplotlib import cm
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

theta_0 = 5
theta_1 = 2

def draw_cost(x, y):
fig = plt.figure(figsize=(10, 8))
ax = fig.gca(projection='3d')
scatter_count = 100
radius = 1
t0_range = np.linspace(theta_0 - radius, theta_0 + radius, scatter_count)
t1_range = np.linspace(theta_1 - radius, theta_1 + radius, scatter_count)
cost = np.zeros((len(t0_range), len(t1_range)))
for a in range(len(t0_range)):
for b in range(len(t1_range)):
cost[a][b] = cost_function(x, y, t0_range[a], t1_range[b])
t0, t1 = np.meshgrid(t0_range, t1_range)

ax.set_xlabel('theta_0')
ax.set_ylabel('theta_1')
ax.plot_surface(t0, t1, cost, cmap=cm.hsv)


在這段代碼中，我們對 和 各自指定了一個范圍進行100次的采樣，然後以不同的 組合對來計算代價函數的值。

如果我們將所有點的代價函數值繪制出來，其結果如下圖所示：

從這個圖形中我們可以看出，當 越接近 [5, 2]時其結果（偏差）越小。相反，離得越遠，結果越大。


直觀解釋

從上面這幅圖中我們可以看出，代價函數在不同的位置結果大小不同。

從三維的角度來看，這就和地面的高低起伏一樣。最高的地方就好像是山頂。

而我們的目標就是：從任意一點作為起點，能夠快速尋找到一條路徑並以此到達圖形最低點（代價值最小）的位置。

而梯度下降的演算法過程就和我們從山頂想要快速下山的做法是一樣的。

在生活中，我們很自然會想到沿著最陡峭的路往下行是下山速度最快的。如下面這幅圖所示：

針對這幅圖，細心的讀者可能很快就會有很多的疑問，例如：

• 對於一個函數，怎麼確定下行的方向？

• 每一步該往前走多遠？

• 有沒有可能停留在半山腰的平台上？

這些問題也就是本文接下來要討論的內容。


演算法描述

梯度下降演算法最開始的一點就是需要確定下降的方向，即：梯度。

我們常常用 來表示梯度。

對於一個二維空間的曲線來說，梯度就是其切線的方向。如下圖所示：

而對於更高維空間的函數來說，梯度由所有變數的偏導數決定。

其表達式如下所示：

[ abla f({ heta}) = ( frac{partial f({ heta})}{partial heta_1} , frac{partial f({ heta})}{partial heta_2} , ... , frac{partial f({ heta})}{partial heta_n} )]

在機器學習中，我們主要是用梯度下降演算法來最小化代價函數，記做：

[ heta ^* = arg min L( heta)]

其中，L是代價函數，是參數。

梯度下降演算法的主體邏輯很簡單，就是沿著梯度的方向一直下降，直到參數收斂為止。

記做：

[ heta ^{k + 1}_i = heta^{k}_i - lambda abla f( heta^{k})]

• 這里的下標i表示第i個參數。 上標k指的是第k步的計算結果，而非k次方。在能夠理解的基礎上，下文的公式中將省略上標k。

這里有幾點需要說明：

• 收斂是指函數的變化率很小。具體選擇多少合適需要根據具體的項目來確定。在演示項目中我們可以選擇0.01或者0.001這樣的值。不同的值將影響演算法的迭代次數，因為在梯度下降的最後，我們會越來越接近平坦的地方，這個時候函數的變化率也越來越小。如果選擇一個很小的值，將可能導致演算法迭代次數暴增。

• 公式中的 稱作步長，也稱作學習率（learning rate）。它決定了每一步往前走多遠，關於這個值我們會在下文中詳細講解。你可以暫時人為它是一個類似0.01或0.001的固定值。

• 在具體的項目，我們不會讓演算法無休止的運行下去，所以通常會設置一個迭代次數的最大上限。


線性回歸的梯度下降

有了上面的知識，我們可以回到線性模型代價函數的梯度下降演算法實現了。

首先，根據代價函數我們可以得到梯度向量如下：

[ abla f({ heta}) = (frac{partial L( heta)}{ partial heta_{0}}, frac{ partial L( heta)}{ partial heta_{1}}) = (frac {2}{m} sum_{i=1}^{m}( heta_{0} + heta_{1} * x^{i} - y^{i}) , frac {2}{m} sum_{i=1}^{m}( heta_{0} + heta_{1} * x^{i} - y^{i}) x^{i})]

接著，將每個偏導數帶入迭代的公式中，得到：

[ heta_{0} := heta_{0} - lambda frac{partial L( heta_{0})}{ partial heta_{0}} = heta_{0} - frac {2 lambda }{m} sum_{i=1}^{m}( heta_{0} + heta_{1} * x^{i} - y^{i}) heta_{1} := heta_{1} - lambda frac{partial L( heta_{1})}{ partial heta_{1}} = heta_{1} - frac {2 lambda }{m} sum_{i=1}^{m}( heta_{0} + heta_{1} * x^{i} - y^{i}) x^{i}]

由此就可以通過代碼實現我們的梯度下降演算法了，演算法邏輯並不復雜：

learning_rate = 0.01

def gradient_descent(x, y):
t0 = 10
t1 = 10
delta = 0.001
for times in range(1000):
sum1 = 0
sum2 = 0
for i in range(len(x)):
sum1 += (t0 + t1 * x[i] - y[i])
sum2 += (t0 + t1 * x[i] - y[i]) * x[i]
t0_ = t0 - 2 * learning_rate * sum1 / len(x)
t1_ = t1 - 2 * learning_rate * sum2 / len(x)
print('Times: {}, gradient: [{}, {}]'.format(times, t0_, t1_))
if (abs(t0 - t0_) < delta and abs(t1 - t1_) < delta):
print('Gradient descent finish')
return t0_, t1_
t0 = t0_
t1 = t1_
print('Gradient descent too many times')
return t0, t1


這段代碼說明如下：

• 我們隨機選擇了 都為10作為起點

• 設置最多迭代1000次

• 收斂的范圍設為0.001

• 學習步長設為0.01

如果我們將演算法迭代過程中求得的線性模式繪制出來，可以得到下面這幅動態圖：

最後演算法得到的結果如下：


Times: 657, gradient: [5.196562662718697, 1.952931052920264]
Times: 658, gradient: [5.195558390180733, 1.9530753071808193]
Times: 659, gradient: [5.194558335124868, 1.9532189556399233]
Times: 660, gradient: [5.193562479839619, 1.9533620008416623]
Gradient descent finish


從輸出中可以看出，演算法迭代了660次就收斂了。這時的結果[5.193562479839619, 1.9533620008416623]，這已經比較接近目標值 [5, 2]了。如果需要更高的精度，可以將delta的值調的更小，當然，此時會需要更多的迭代次數。


高維擴展

雖然我們舉的例子是二維的，但是對於更高維的情況也是類似的。同樣是根據迭代的公式進行運算即可：

[ heta_{i} = heta_{i} - lambda frac {partial L( heta)}{partial heta_i} = heta_{i} - frac{2lambda}{m} sum_{i=1}^{m}(h_ heta(x^{k})-y^k)x_i^k]

這里的下標i表示第i個參數，上標k表示第k個數據。


梯度下降家族BGD

在上面的內容中我們看到，演算法的每一次迭代都需要把所有樣本進行遍歷處理。這種做法稱為之Batch Gradient Descent，簡稱BGD。作為演示示例只有10條數據，這是沒有問題的。

但在實際的項目中，數據集的數量可能是幾百萬幾千萬條，這時候每一步迭代的計算量就會非常的大了。

於是就有了下面兩個變種。


SGD

Stochastic Gradient Descent，簡稱SGD，這種演算法是每次從樣本集中僅僅選擇一個樣本來進行計算。很顯然，這樣做演算法在每一步的計算量一下就少了很多。

其演算法公式如下：

[ heta_{i} = heta_{i} - lambda frac {partial L( heta)}{partial heta_i} = heta_{i} - lambda(h_ heta(x^k)-y^k)x_i^k]

當然，減少演算法計算量也是有代價的，那就是：演算法結果會強依賴於隨機取到的數據情況，這可能會導致演算法的最終結果不太令人滿意。


MBGD

以上兩種做法其實是兩個極端，一個是每次用到了所有數據，另一個是每次只用一個數據。

我們自然就會想到兩者取其中的方法：每次選擇一小部分數據進行迭代。這樣既避免了數據集過大導致每次迭代計算量過大的問題，也避免了單個數據對演算法的影響。

這種演算法稱之為Mini-batch Gradient Descent，簡稱MBGD。

其演算法公式如下：

[ heta_{i} = heta_{i} - lambda frac {partial L( heta)}{partial heta_i} = heta_{i} - frac{2lambda}{m} sum_{i=a}^{a + b}(h_ heta(x^k)-y^k)x_i^k]

當然，我們可以認為SGD是Mini-batch為1的特例。

針對上面提到的演算法變種，該如何選擇呢？

下面是Andrew Ng給出的建議：

• 如果樣本數量較小（例如小於等於2000），選擇BGD即可。

• 如果樣本數量很大，選擇 來進行MBGD，例如：64，128，256，512。

下表是 Optimization for Deep Learning 中對三種演算法的對比

方法准確性更新速度內存佔用在線學習BGD好慢高否SGD好（with annealing）快低是MBGD好中等中等是
演算法優化

式7是演算法的基本形式，在這個基礎上有很多人進行了更多的研究。接下來我們介紹幾種梯度下降演算法的優化方法。


Momentum

Momentum是動量的意思。這個演算法的思想就是藉助了動力學的模型：每次演算法的迭代會使用到上一次的速度作為依據。

演算法的公式如下：

[v^t = gamma v^{t - 1} + lambda abla f( heta) heta = heta - v_t]

對比式7可以看出，這個演算法的主要區別就是引入了，並且，每個時刻的受前一個時刻的影響。

從形式上看，動量演算法引入了變數 v 充當速度角色——它代表參數在參數空間移動的方向和速率。速度被設為負梯度的指數衰減平均。名稱動量來自物理類比，根據牛頓運動定律，負梯度是移動參數空間中粒子的力。動量在物理學上定義為質量乘以速度。在動量學習演算法中，我們假設是單位質量，因此速度向量 v 也可以看作是粒子的動量。

對於可以取值0，而是一個常量，設為0.9是一個比較好的選擇。

下圖是momentum演算法的效果對比：

對原來的演算法稍加修改就可以增加動量效果：

def gradient_descent_with_momentum(x, y):
t0 = 10
t1 = 10
delta = 0.001
v0 = 0
v1 = 0
gamma = 0.9
for times in range(1000):
sum1 = 0
sum2 = 0
for i in range(len(x)):
sum1 += (t0 + t1 * x[i] - y[i])
sum2 += (t0 + t1 * x[i] - y[i]) * x[i]
v0 = gamma * v0 + 2 * learning_rate * sum1 / len(x)
v1 = gamma * v1 + 2 * learning_rate * sum2 / len(x)
t0_ = t0 - v0
t1_ = t1 - v1
print('Times: {}, gradient: [{}, {}]'.format(times, t0_, t1_))
if (abs(t0 - t0_) < delta and abs(t1 - t1_) < delta):
print('Gradient descent finish')
return t0_, t1_
t0 = t0_
t1 = t1_
print('Gradient descent too many times')
return t0, t1


以下是該演算法的輸出：


Times: 125, gradient: [4.955453758569991, 2.000005017897775]
Times: 126, gradient: [4.955309381126545, 1.9956928964532015]
Times: 127, gradient: [4.9542964317327005, 1.9855674828684156]
Times: 128, gradient: [4.9536358220657, 1.9781180992510465]
Times: 129, gradient: [4.95412496254411, 1.9788858350530971]
Gradient descent finish


從結果可以看出，改進的演算法只用了129次迭代就收斂了。速度比原來660次快了很多。

同樣的，我們可以把演算法計算的過程做成動態圖：

對比原始的演算法過程可以看出，改進演算法最大的區別是：在尋找目標值時會在最終結果上下跳動，但是越往後跳動的幅度越小，這也就是動量所產生的效果。


Learning Rate 優化

至此，你可能還是好奇該如何設定學習率的值。

事實上，這個值的選取需要一定的經驗或者反復嘗試才能確定。

• 《深度學習》一書中是這樣描述的：「與其說是科學，這更像是一門藝術，我們應該謹慎地參考關於這個問題的大部分指導。」。

關鍵在於，這個值的選取不能過大也不能過小。

如果這個值過小，會導致每一次迭代的步長很小，其結果就是演算法需要迭代非常多的次數。

那麼，如果這個值過大會怎麼樣呢？其結果就是：演算法可能在結果的周圍來回震盪，卻落不到目標的點上。下面這幅圖描述了這個現象：

事實上，學習率的取值未必一定要是一個常數，關於這個值的設定有很多的研究。

下面是比較常見的一些改進演算法。


AdaGrad

AdaGrad是Adaptive Gradient的簡寫，該演算法會為每個參數設定不同的學習率。它使用歷史梯度的平方和作為基礎來進行計算。

其演算法公式如下：

[ heta_i = heta_i - frac{lambda}{sqrt{G_t + epsilon}} abla f( heta)]

對比式7，這里的改動就在於分號下面的根號。

根號中有兩個符號，第二個符號比較好理解，它就是為了避免除0而人為引入的一個很小的常數，例如可以設為：0.001。

第一個符號的表達式展開如下：

[G_t = sum_{i = 1}^{t} abla f( heta){i} abla f( heta){i}^{T}]

這個值其實是歷史中每次梯度的平方的累加和。

AdaGrad演算法能夠在訓練中自動的對learning rate進行調整，對於出現頻率較低參數採用較大的學習率；相反，對於出現頻率較高的參數採用較小的學習率。因此，Adagrad非常適合處理稀疏數據。

但該演算法的缺點是它可能導致學習率非常小以至於演算法收斂非常的慢。

關於這個演算法的直觀解釋可以看李宏毅教授的視頻課程：ML Lecture 3-1: Gradient Descent。


RMSProp

RMS是Root Mean Square的簡寫。RMSProp是AI教父Geoff Hinton提出的一種自適應學習率方法。AdaGrad會累加之前所有的梯度平方，而RMSProp僅僅是計算對應的平均值，因此可緩解Adagrad演算法學習率下降較快的問題。

該演算法的公式如下：

[E[ abla f( heta_{i})^2]^{t} = gamma E[ abla f( heta_{i})^2]^{t - 1} + (1-gamma)( abla f( heta_{i})^{t})^{2} heta_i = heta_i - frac{lambda}{sqrt{E[g^2]^{t+1} + epsilon}} abla f( heta_{i})]

類似的，是為了避免除0而引入。 是衰退參數，通常設為0.9。

這里的 是t時刻梯度平方的平均值。


Adam

Adam是Adaptive Moment Estimation的簡寫。它利用梯度的一階矩估計和二階矩估計動態調整每個參數的學習率。

Adam的優點主要在於經過偏置校正後，每一次迭代學習率都有個確定范圍，使得參數比較平穩。

該演算法公式如下：

[m^{t} = eta_{1} m^{t-1} + (1-eta_{1}) abla f( heta) v^{t} = eta_{2} v^{t-1} + (1-eta_{2}) abla f( heta)^2 widehat{m}^{t} = frac{m^{t}}{1 - eta^{t}_1} widehat{v}^{t} = frac{v^{t}}{1 - eta^{t}_2} heta = heta - frac{lambda}{sqrt{widehat{v}^{t}} + epsilon}widehat{m}^{t}]

，分別是對梯度的一階矩估計和二階矩估計。， 是對，的校正，這樣可以近似為對期望的無偏估計。

Adam演算法的提出者建議 默認值為0.9，默認值為0.999，默認值為 。

在實際應用中 ，Adam較為常用，它可以比較快地得到一個預估結果。


優化小結

這里我們列舉了幾種優化演算法。它們很難說哪種最好，不同的演算法適合於不同的場景。在實際的工程中，可能需要逐個嘗試一下才能確定選擇哪一個，這個過程也是目前現階段AI項目要經歷的工序之一。

實際上，該方面的研究遠不止於此，如果有興趣，可以繼續閱讀 《Sebastian Ruder: An overview of gradient descent optimization algorithms》 這篇論文或者 Optimization for Deep Learning 這個Slides進行更多的研究。

由於篇幅所限，這里不再繼續展開了。


演算法限制

梯度下降演算法存在一定的限制。首先，它要求函數必須是可微分的，對於不可微的函數，無法使用這種方法。

除此之外，在某些情況下，使用梯度下降演算法在接近極值點的時候可能收斂速度很慢，或者產生Z字形的震盪。這一點需要通過調整學習率來迴避。

另外，梯度下降還會遇到下面兩類問題。


局部最小值

局部最小值（Local Minima）指的是，我們找到的最小值僅僅是一個區域內的最小值，而並非全局的。由於演算法的起點是隨意取的，以下面這個圖形為例，我們很容易落到局部最小值的點裡面。

這就是好像你從上頂往下走，你第一次走到的平台未必是山腳，它有可能只是半山腰的一個平台的而已。

演算法的起點決定了演算法收斂的速度以及是否會落到局部最小值上。

壞消息是，目前似乎沒有特別好的方法來確定選取那個點作為起點是比較好的，這就有一點看運氣的成分了。多次嘗試不同的隨機點或許是一個比較好的方法，這也就是為什麼做演算法的優化這項工作是特別消耗時間的了。

但好消息是：

• 對於凸函數或者凹函數來說，不存在局部極值的問題。其局部極值一定是全局極值。

• 最近的一些研究表明，某些局部極值並沒有想像中的那麼糟糕，它們已經非常的接近全局極值所帶來的結果了。


鞍點

除了Local Minima，在梯度下降的過程中，還有可能遇到另外一種情況，即：鞍點（Saddle Point）。鞍點指的是我們找到點某個點確實是梯度為0，但它卻不是函數的極值，它的周圍既有比它小的值，也有比它大的值。這就好像馬鞍一樣。

如下圖所示：

多類隨機函數表現出以下性質：在低維空間中，局部極值很普遍。但在高維空間中，局部極值比較少見，而鞍點則很常見。

不過對於鞍點，可以通過數學方法Hessian矩陣來確定。關於這點，這里就不再展開了，有興趣的讀者可以以這里提供的幾個鏈接繼續探索。


參考資料與推薦讀物

• Wikipeida: Gradient descent

• Sebastian Ruder: An overview of gradient descent optimization algorithms

• 吳恩達：機器學習

• 吳恩達：深度學習

• Peter Flach：機器學習

• 李宏毅 - ML Lecture 3-1: Gradient Descent

• PDF: 李宏毅 - Gradient Descent

• Intro to optimization in deep learning: Gradient Descent

• Intro to optimization in deep learning: Momentum, RMSProp and Adam

• Stochastic Gradient Descent – Mini-batch and more

• 劉建平Pinard - 梯度下降（Gradient Descent）小結

• 多元函數的偏導數、方向導數、梯度以及微分之間的關系思考

• [Machine Learning] 梯度下降法的三種形式BGD、SGD以及MBGD

• 作者：阿Paul https://paul.pub/gradient-descent/