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机器学习梯度下降法最通俗易懂的解释

发布时间:2019-05-21 01:50 来源:未知 编辑:admin

  本文从一个下山场景开始,提出梯度下降算法的基本思想,接着从数学上解释梯度下降算法原理,最后实现一个简单的梯度下降算法实例!

  梯度下降法的基本思想可以类比为一个下山的过程。假设这样一个场景:一个人被困在山上,需要从山上下来(i.e. 找到山的最低点,也就是山谷)。但此时山上的浓雾很大,导致可视度很低。因此,下山的路径就无法确定,他必须利用自己周围的信息去找到下山的路径。这个时候,他就可以利用梯度下降算法来帮助自己下山。具体来说就是,以他当前的所处的位置为基准,寻找这个位置最陡峭的地方,然后朝着山的高度下降的地方走,同理,如果我们的目标是上山,也就是爬到山顶,那么此时应该是朝着最陡峭的方向往上走。然后每走一段距离,都反复采用同一个方法,最后就能成功的抵达山谷。

  我们同时可以假设这座山最陡峭的地方是无法通过肉眼立马观察出来的,而是需要一个复杂的工具来测量,同时,这个人此时正好拥有测量出最陡峭方向的能力。所以,此人每走一段距离,都需要一段时间来测量所在位置最陡峭的方向,这是比较耗时的。那么为了在太阳下山之前到达山底,就要尽可能的减少测量方向的次数。这是一个两难的选择,如果测量的频繁,可以保证下山的方向是绝对正确的,但又非常耗时,如果测量的过少,又有偏离轨道的风险。所以需要找到一个合适的测量方向的频率,来确保下山的方向不错误,同时又不至于耗时太多!

  首先,我们有一个可微分的函数。这个函数就代表着一座山。我们的目标就是找到这个函数的最小值,也就是山底。根据之前的场景假设,最快的下山的方式就是找到当前位置最陡峭的方向,然后沿着此方向向下走,对应到函数中,就是找到给定点的梯度 ,然后朝着梯度相反的方向,就能让函数值下降的最快!因为梯度的方向就是函数之变化最快的方向(在后面会详细解释)

  所以,我们重复利用这个方法,反复求取梯度,最后就能到达局部的最小值,这就类似于我们下山的过程。而求取梯度就确定了最陡峭的方向,也就是场景中测量方向的手段。那么为什么梯度的方向就是最陡峭的方向呢?接下来,我们从微分开始讲起

  上面的例子都是单变量的微分,当一个函数有多个变量的时候,就有了多变量的微分,即分别对每个变量进行求微分:

  我们可以看到,梯度就是分别对每个变量进行微分,然后用逗号分割开,梯度是用包括起来,说明梯度其实一个向量。

  这也就说明了为什么我们需要千方百计的求取梯度!我们需要到达山底,就需要在每一步观测到此时最陡峭的地方,梯度就恰巧告诉了我们这个方向。梯度的方向是函数在给定点上升最快的方向,那么梯度的反方向就是函数在给定点下降最快的方向,这正是我们所需要的。所以我们只要沿着梯度的方向一直走,就能走到局部的最低点!

  上面我们花了大量的篇幅介绍梯度下降算法的基本思想和场景假设,以及梯度的概念和思想。下面我们就开始从数学上解释梯度下降算法的计算过程和思想!

  此公式的意义是:J 是关于Θ的一个函数,我们当前所处的位置为Θ0 点,要从这个点走到 J 的最小值点,也就是山底。首先我们先确定前进的方向,也就是梯度的反向,然后走一段距离的步长,也就是α,走完这个段步长,就到达了Θ1 这个点!

  α是什么含义? α在梯度下降算法中被称作为学习率或者步长,意味着我们可以通过α来控制每一步走的距离,以保证不要步子跨的太大扯着蛋,哈哈,其实就是不要走太快,错过了最低点。同时也要保证不要走的太慢,导致太阳下山了,还没有走到山下。所以α的选择在梯度下降法中往往是很重要的!α不能太大也不能太小,太小的话,可能导致迟迟走不到最低点,太大的话,会导致错过最低点!

  我们已经基本了解了梯度下降算法的计算过程,那么我们就来看几个梯度下降算法的小实例,首先从单变量的函数开始

  如图,经过四次的运算,也就是走了四步,基本就抵达了函数的最低点,也就是山底

  现在要通过梯度下降法计算这个函数的最小值。我们通过观察就能发现最小值其实就是 (0,0)点。但是接下来,我们会从梯度下降算法开始一步步计算到这个最小值!

  下面我们将用 python 实现一个简单的梯度下降算法。场景是一个简单的线性回归的例子:假设现在我们有一系列的点,如下图所示

  我们可以根据代价函数看到,代价函数中的变量有两个,所以是一个多变量的梯度下降问题,求解出代价函数的梯度,也就是分别对两个变量进行微分

  明确了代价函数和梯度,以及预测的函数形式。我们就可以开始编写代码了。但在这之前,需要说明一点,就是为了方便代码的编写,我们会将所有的公式都转换为矩阵的形式,python 中计算矩阵是非常方便的,同时代码也会变得非常的简洁。

  我们有两个变量,为了对这个公式进行矩阵化,我们可以给每一个点 x 增加一维,这一维的值固定为 1,这一维将会乘到Θ0 上。这样就方便我们统一矩阵化的计算:

  当梯度小于 1e-5 时,说明已经进入了比较平滑的状态,类似于山谷的状态,这时候再继续迭代效果也不大了,所以这个时候可以退出循环!

  至此,我们就基本介绍完了梯度下降法的基本思想和算法流程,并且用 Python 实现了一个简单的梯度下降算法拟合直线的案例!

  这个下山的人实际上就代表了反向传播算法,下山的路径其实就代表着算法中一直在寻找的参数Θ,山上当前点的最陡峭的方向实际上就是代价函数在这一点的梯度方向,场景中观测最陡峭方向所用的工具就是微分 。在下一次观测之前的时间就是有我们算法中的学习率α所定义的。

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