讲透机器学习中的梯度下降

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在之前的文章当中，我们一起推导了线性回归的公式，今天我们继续来学习上次没有结束的内容。

上次我们推导完了公式的时候，曾经说过由于有许多的问题，比如最主要的复杂度问题。随着样本和特征数量的增大，通过公式求解的时间会急剧增大，并且如果特征为空，还会出现公式无法计算的情况。所以和直接公式求解相比，实际当中更倾向于使用另外一种方法来代替，它就是今天这篇文章的主角——梯度下降法。

梯度下降法可以说是机器学习和深度学习当中最重要的方法，可以说是没有之一。尤其是在深度学习当中，几乎清一色所有的神经网络都是使用梯度下降法来训练的。那么，梯度下降法究竟是一种什么样的方法呢，让我们先从梯度的定义开始。

梯度的定义

我们先来看看维基百科当中的定义：梯度（gradient）是一种关于多元导数的概括。平常的一元（单变量）函数的导数是标量值函数，而多元函数的梯度是向量值函数。多元可微函数\({\displaystyle f}\)在点\({\displaystyle P}\)上的梯度，是以\({\displaystyle f}\)在\({\displaystyle P}\)上的偏导数为分量的向量。

这句话很精炼，但是不一定容易理解，我们一点一点来看。我们之前高中学过导数，但是高中时候计算的求导往往针对的是一元函数。也就是说只有一个变量x，求导的结果是一个具体的值，它是一个标量。而多元函数在某个点求导的结果是一个向量，n元函数的求导的结果分量就是n，导数的每个分量是对应的变量在该点的偏导数。这个偏导数组成的向量，就是这个函数在该点的梯度。

那么，根据上面的定义，我们可以明确两点，首先梯度是一个向量，它既有方向，也有大小。

梯度的解释

维基百科当中还列举了两个关于梯度的例子，帮助我们更好的理解。

第一个例子是最经典的山坡模型，假设我们当下站在一个凹凸不平的山坡上，我们想要以最快的速度下山，那么我们应该该从什么方向出发呢？很简单，我们应该计算一下脚下点的梯度，梯度的方向告诉我们下山最快的方向，梯度的大小代表这点的坡度。

第二个例子是房间温度模型，假设我们对房间建立坐标系，那么房间里的每一个点都可以表示成\({\displaystyle (x,y,z)}\)，该点的温度是\(\phi(x,y,z)\)。如果假设房间的温度不随时间变化，那么房间里每个点的梯度表示温度变热最快的方向，梯度的大小代表温度变化的速率。

通过这两个例子，应该很容易理解梯度的方向和大小这两个概念。

举例

假设f是一个定义在三维空间里的函数，那么，f在某一点的梯度，可以写成：

\[\nabla f=(\frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y}, \frac{\partial f}{\partial z})=\frac{\partial f}{\partial x}i+\frac{\partial f}{\partial y}j + \frac{\partial f}{\partial z}k\]

这里的\(i, j, k\)都是标准单位向量，表示坐标轴\(x, y, z\)的方向。

我们举个例子：

\[f=3x^2+4y-sinz\]

套入刚才的梯度公式，可以得到：

\[\nabla f = 6x\cdot i + 4\cdot j - \cos z\cdot k\]

如果我们知道\(x, y, z\)的坐标，代入其中，就可以知道对应的梯度了。

梯度下降法

理解了梯度的概念之后，再来看梯度下降法其实就是一张图的事。请看下面这张图。

这里的黑色的曲线表示我们损失函数的函数曲线，我们要做的，就是找到这个最佳的参数x，使得损失函数的值最小。损失函数的值达到最小，也就说明了模型的效果达到了极限，这也就是我们预期的。

我们一开始的时候显然是不知道最佳的x是多少的（废话，知道了还求啥），所以我们假设一开始的时候在一个随机的位置。就假设是图中的\(x_1\)的位置。接着我们对\(x_1\)求梯度。我们之前说了，梯度就是该点下降最陡峭的方向，梯度的大小就是它的陡峭程度。我们既然知道了梯度的方向之后，其实就很简单了，我们要做的就是朝着梯度下降，也就是最陡峭的方向向前走一小步。

我们假设，\(x_1\)处的梯度是\(s_1\)，那么我们根据\(s_1\)通过迭代的方法优化损失函数。说起来有些空洞，我写出来就明白了。

\[ \begin{aligned} x_2 &= x_1 + \eta \cdot s_1 \\ x_3 &= x_2 + \eta \cdot s_2 \\ \vdots \\ x_n &= x_{n-1} + \eta \cdot s_{n-1} \end{aligned} \]

从上面这个公式可以看出来，这是一个迭代公式。也就是说我们通过不停地迭代，来优化参数。理论上来说，这样的迭代是没有穷尽的，我们需要手动终止迭代。什么时候可以停止呢？我们可以判断每一次迭代的梯度，当梯度已经小到逼近于0的时候，就说明模型的训练已经收敛了，这个时候可以停止训练了。

这里的\(\eta\)是一个固定的参数，称为学习率，它表示梯度对于迭代的影响程度。学习率越大，说明梯度对于参数变化的影响越大。如果学习率越小，自然每一次迭代参数的变化也就越小，说明到收敛需要的迭代次数也就越多，也可以单纯理解成，收敛需要的时间也就越长。

那么是不是学习率越大越好呢？显然也不是的。因为如果学习率过大，很有可能会导致在迭代的过程当中错过最优点。就好像油门踩猛了，一下子就过头了，于是可能会出现永远也无法收敛的情况。比如我们可以参考下面这张图：

从这张图上可以看到，变量一直在最值附近震荡，永远也达不成收敛状态。

如果学习率设置得小一些是不是就没事了？也不是，如果设置的学习率过小，除了会导致迭代的次数非常庞大以至于训练花费的时间过久之外，还有可能由于小数的部分过大，导致超出了浮点数精度的范围，以至于出现非法值Nan这种情况出现。同样，我们可以参考一下下图：

这张图画的是学习率过小，导致一直在迭代，迟迟不能收敛的情况。

从上面这两张图，我们可以看得出来，在机器学习领域学习率的设置非常重要。一个好的参数不仅可以缩短模型训练的时间，也可以使模型的效果更好。但是设置学习率业内虽然有种种方法，但是不同的问题场景，不同的模型的学习率设置方法都略有差别，也正因此，很多人才会调侃自己是调参工程师。

我们来看一下一个合适的学习率的迭代曲线是什么样的。

到这里还没有结束，好的学习率并不能解决所有的问题。在有些问题有些模型当中，很有可能最优解本身就是无法达到的，即使用非常科学的方法，设置非常好的参数。我们再来看一张图：

这张图有不止一个极值点，如果我们一开始的时候，参数落在了区间的左侧，那么很快模型就会收敛到一个极值，但是它并不是全局最优解，只是一个局部最优解。这时候无论我们如何设置学习率，都不可能找到右侧的那个全局最优解。同样，如果我们一开始参数落在了区间右侧，那里的曲线非常平坦，使得每次迭代的梯度都非常小，非常接近0.那么虽然最终可以到达全局最优解，但是需要经过漫长的迭代过程。

所以，模型训练、梯度下降虽然方法简单，但是真实的使用场景也是非常复杂的。我们不可以掉以轻心，不过好在，对于线性回归的最小二乘法来说，损失函数是一个凸函数，意味着它一定有全局最优解，并且只有一个。随着我们的迭代，一定可以达到收敛。

代码实战

Talk is cheap, show me the code.

光说不练假把式，既然我们已经学习到了梯度下降的精髓，也该亲身用代码体验一下了。我们还是用之前线性回归的问题。如果有遗忘的同学可以点击下方的链接回顾一下之前的内容：

一文讲透线性回归模型

还是和之前一样，我们先生成一批点：

import numpy as np
X = 2 * np.random.rand(100, 1)
y = 4 + 3 * X + np.random.randn(100, 1)

这是根据函数\(y = 3x + 4\)随机出来的，我们接下来就要通过梯度下降的方法来做线性回归。首先，我们来推导一下梯度公式：

在使用梯度下降算法的时候，我们其实计算当前\(\theta\)下的梯度。这个量反应的是当我们的\(\theta\)发生变化的时候，整个的损失函数MSE(mean square error 均方差)会变化多少。而梯度，可以通过对变量求偏导得到。写成：\(\frac {\partial}{\partial \theta_j}MSE(\theta)\)。

我们单独计算\(\theta_j\)的损失函数偏导，写成：\(\frac {\partial}{\partial \theta_j}MSE(\theta)\)，带入之前的损失函数公式，计算化简可以得到：

\[\frac {\partial}{\partial \theta_j}MSE(\theta)=\frac {1}{m}\sum_{i=1}^m(\theta^T \cdot x_i-y_i)x_j\]

这只是\(\theta_j\)的偏导数，我们可以把向量\(\theta\)中每一个变量的偏导数合在一起计算。标记为：

\[\nabla_\theta MSE(\theta)=\begin{pmatrix} \frac {\partial}{\partial \theta_0}MSE(\theta) \\ \frac {\partial}{\partial \theta_1}MSE(\theta) \\ \vdots\\ \frac {\partial}{\partial \theta_n}MSE(\theta) \\ \end{pmatrix}=\frac {1}{m}X^T\cdot(X \cdot\theta-y)\]

我们不难看出，在这个公式当中，我们涉及了全量的训练样本X。因此这种方法被称为批量梯度下降。因此，当我们的训练样本非常大的时候，会使得我们的算法非常缓慢。但是使用梯度下降算法，和特征的数量成正比，当特征数量很大的时候，梯度下降要比方程直接求解快得多。

需要注意一点，我们推导得到的梯度是向上的方向。我们要下降，所以需要加一个负号，最后再乘上学习率，得到的公式如下：

\[\theta^{next step}=\theta-\eta\nabla_\theta MSE(\theta)\]

根据公式，写出代码就不复杂了：

eta = 0.1 # 学习率
n_iterations = 1000 # 迭代次数
m = 100

theta = np.random.randn(2,1) # 随机初始值
X = np.c_[np.ones(100).T, X]
for iteration in range(n_iterations):
    gradients = 1/m * X.T.dot(X.dot(theta) - y) # 根据梯度公式迭代
    theta = theta - eta * gradients

我们调用一下这段代码，来查看一下结果：

和我们设置的参数非常接近，效果算是很不错了。如果我们调整学习率和迭代次数，最后的效果可能会更好。

观察一下代码可以发现，我们在实现梯度下降的时候，用到了全部的样本。显然，随着样本的数量增大，梯度下降会变得非常慢。为了解决这个问题，专家们后续推出了许多优化的方法。不过由于篇幅的限制，我们会在下一篇文章当中和大家分享，感兴趣的同学可以小小地期待一下。

梯度下降非常重要，可以说是机器学习领域至关重要的基础之一，希望大家都能学会。

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