梯度下降演算法公式推導

2021-10-03 11:01:38 字數 1639 閱讀 5793

梯度下降法的基本思想可以模擬為乙個下山的過程。

假設這樣乙個場景:乙個人被困在山上,需要從山上下來(找到山的最低點)。但此時山上的濃霧很大,導致可視度很低;因此,下山的路徑就無法確定,必須利用自己周圍的資訊一步一步地找到下山的路。這個時候,便可利用梯度下降演算法來幫助自己下山。怎麼做呢,首先以他當前的所處的位置為基準,尋找這個位置最陡峭的地方,然後朝著下降方向走一步,然後又繼續以當前位置為基準,再找最陡峭的地方,再走直到最後到達最低處;同理上山也是如此,只是這時候就變成梯度上公升演算法了

f(x)-f(x₀)≈(x-x₀)•f'(x₀)
ps:場景中說的是下山,但那是在空間座標系下討論,這裡為了方便,只在平面座標系下做討論,但是不管維度是多少,原理是一樣的。

首先,我們有乙個可微分(可微<=>可導)的函式。這個函式就代表著一座山。我們的目標就是找到這個函式的最小值(此時導數為0),也就是山底。根據之前的場景假設,最快的下山的方式就是找到當前位置最陡峭的方向,然後沿著此方向向下走(梯度的反方向),就能讓函式值下降的最快!因為梯度的方向就是函式之變化最快的方向

所以,我們重複利用這個方法,反覆求取梯度,最後就能到達區域性的最小值,這就類似於我們下山的過程。而求取梯度就確定了最陡峭的方向,也就是場景中測量方向的手段。

f(θ)-f(θ₀)≈(θ-θ₀)•▽f(θ₀)
因為這是乙個可微分方程,所以(θ-θ₀)是乙個微小向量,我們知道標量*單位向量=向量,所以令:

(θ-θ₀)=ŋν(其中  ŋ是標量,ν是單位向量)

注意:(θ-θ₀)不能太大,否則線性近似就不夠準確

重點,區域性下降的目的是希望每次θ更新 ->f(θ)↓,重複這個過程,直到▽f(θ₀)=0。所以:

f(θ)-f(θ₀) ≈ (θ-θ₀)•▽f(θ₀) = ŋν•▽f(θ₀) < 0

因為ŋ是標量,且一般設定為正數,所以可以忽略,則不等式變成:

ν•▽f(θ₀) < 0 其中ν是需要我們求解的

那麼,這個不等式在表達什麼

我們知道▽f(θ₀)是當前位置的梯度方向,

也就是說當ν的方向是梯度的反方向時,

不等式能最大程度的小,也就保證了ν的方向是區域性下降最快的方向

將這個公式跟開頭的公式對比,事情到這裡就結束了,我們終於獲得了梯度下降的公式,有沒有發現公式推導出來後,f(θ)-f(θ₀)不見了,因為只要滿足梯度下降公式,f(θ)就會一直下降(前提:(θ-θ₀)不太大),而我們只需要在影象上觀察f(θ)的值就好了

ps:後向傳播演算法的目的在於快速計算神經網路中各層引數的梯度,它與梯度下降演算法是包含關係。

梯度下降演算法 梯度下降演算法公式推導

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