机器学习（九）梯度下降算法1 梯度2 梯度下降法

1 梯度

1.1 定义

梯度：是一个矢量，其方向上的方向导数最大，其大小正好是此最大方向导数。 关于梯度的更多介绍请看：如何直观形象的理解方向导数与梯度以及它们之间的关系？

1.2 计算

一个标量函数φ的梯度记为：

在三维直角坐标系中表示为：

1.3 范例

2 梯度下降法

2.1 定义

梯度下降法（英语：Gradient descent）是一个一阶最优化算法，通常也称为最速下降法。 要使用梯度下降法找到一个函数的局部极小值，必须向函数上当前点对应梯度（或者是近似梯度）的反方向的规定步长距离点进行迭代搜索。如果相反地向梯度正方向迭代进行搜索，则会接近函数的局部极大值点；这个过程则被称为梯度上升法。

2.2 描述

梯度下降法基于以下观察的：如果实值函数F(x)在a处可微且有定义，那么函数F(x)在a点沿着梯度相反的方向-▽F(a)下降最快。 因而，假设

对于γ>0为一个够小数值时成立，那么F(a)≥F(b)。 考虑到这一点，我们可以从函数F的局部极小值的初始估计x0出发，考虑到如下序列x0,x1,x2,....使得：

因此可以得到

如果顺利的话，序列(xn)收敛到期望的极值。注意每次迭代的γ可以改变。 下面的这张图片展示了这一过程，这里假设F定义在平面上，并且函数图像是一个碗形。蓝色的曲线是等高线，即函数F为常数的集合构成的曲线。红色的箭头指向该点梯度的反方向。（一点处的梯度方向与通过该点的等高线垂直）。沿着梯度下降方向，将最终到达碗底，即函数F值最小的点。

2.4 实例

梯度下降法处理一些复杂的非线性函数会出现问题，例如Rosenbrock函数

其最小值在(x,y)=(1,1)处，数值为f(x,y)=0。优化过程是之字形的向极小值点靠近，速度非常缓慢。

代码实现

参考：

• 梯度下降算法以及其Python实现
• 梯度下降法