舉例解釋梯度下降算法的原理_全球新動(dòng)態(tài)
時(shí)間:2023-06-24 16:22:04
梯度下降是一種用于優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的迭代方法,主要用于求解機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)中的模型參數(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),它的原理是通過(guò)不斷地沿著梯度的負(fù)方向更新參數(shù),最終找到目標(biāo)函數(shù)的最小值。
以線(xiàn)性回歸為例來(lái)解釋梯度下降的原理。線(xiàn)性回歸模型可以表示為:y = wx + b,其中w和b是模型的參數(shù),我們的目標(biāo)是找到一組參數(shù)w和b,使得模型預(yù)測(cè)的y值與實(shí)際的y值之間的誤差最小。
假設(shè)我們使用均方誤差作為目標(biāo)函數(shù),即:L(w, b) = 1/N * Σ(yi - (wxi + b))^2,其中N表示樣本數(shù)量,yi表示實(shí)際值,wxi + b表示預(yù)測(cè)值。
(相關(guān)資料圖)
為了最小化這個(gè)目標(biāo)函數(shù),我們可以使用梯度下降方法。梯度下降的基本思路是計(jì)算目標(biāo)函數(shù)L(w, b)關(guān)于參數(shù)w和b的梯度,然后沿著梯度的負(fù)方向更新參數(shù)。具體步驟如下:
1. 初始化參數(shù)w和b的值,例如可以將它們都設(shè)為0。
2. 計(jì)算目標(biāo)函數(shù)L(w, b)關(guān)于參數(shù)w和b的梯度。這里我們需要求偏導(dǎo)數(shù)。對(duì)于w,有:?L(w, b)/?w = -2/N * Σxi(yi - (wxi + b));對(duì)于b,有:?L(w, b)/?b = -2/N * Σ(yi - (wxi + b))。
3. 按照梯度的負(fù)方向更新參數(shù)。這里我們需要設(shè)置一個(gè)學(xué)習(xí)率α(通常設(shè)置為一個(gè)很小的正數(shù)),用來(lái)控制梯度下降的步長(zhǎng)。更新公式為:w_new = w - α * ?L(w, b)/?w;b_new = b - α * ?L(w, b)/?b。
4. 重復(fù)步驟2和步驟3,直到目標(biāo)函數(shù)L(w, b)的值收斂,或者達(dá)到預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)。
通過(guò)梯度下降方法,我們可以找到一組參數(shù)w和b,使得線(xiàn)性回歸模型的預(yù)測(cè)誤差最小。這就是梯度下降原理的一個(gè)簡(jiǎn)單示例。
#具體解釋下什么是隨機(jī)梯度下降算法
隨機(jī)梯度下降算法(Stochastic Gradient Descent,簡(jiǎn)稱(chēng)SGD)是一種優(yōu)化算法,主要用于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)中的模型訓(xùn)練。它的主要目標(biāo)是最小化目標(biāo)函數(shù)(通常是損失函數(shù)),從而找到使模型預(yù)測(cè)最接近真實(shí)值的參數(shù)。在許多應(yīng)用場(chǎng)景中,隨機(jī)梯度下降算法是一種有效的優(yōu)化技術(shù),尤其適用于處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集。
隨機(jī)梯度下降算法的工作原理如下:
1. 初始化:首先,為模型參數(shù)選擇一個(gè)初始值。這個(gè)值可以是隨機(jī)的,也可以是根據(jù)某種規(guī)則設(shè)定的。
2. 隨機(jī)選擇樣本:從訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇一個(gè)樣本(或一小批樣本,稱(chēng)為 mini-batch)。
3. 計(jì)算梯度:針對(duì)當(dāng)前樣本,計(jì)算目標(biāo)函數(shù)(損失函數(shù))關(guān)于模型參數(shù)的梯度。梯度是一個(gè)向量,表示目標(biāo)函數(shù)在當(dāng)前參數(shù)值處的變化率,其方向指向函數(shù)值增長(zhǎng)最快的方向。
4. 更新參數(shù):根據(jù)梯度值和學(xué)習(xí)率(一個(gè)超參數(shù),控制參數(shù)更新的速度)來(lái)更新模型參數(shù)。參數(shù)更新的公式為:新參數(shù) = 當(dāng)前參數(shù) - 學(xué)習(xí)率 * 梯度。這一步的目的是使目標(biāo)函數(shù)朝著梯度的反方向(函數(shù)值減小的方向)移動(dòng)一小步,從而逐漸接近最小值。
5. 重復(fù)步驟2-4:不斷地在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上迭代這個(gè)過(guò)程,直到滿(mǎn)足某種停止準(zhǔn)則(如達(dá)到最大迭代次數(shù)或損失函數(shù)的變化小于某個(gè)閾值)。
隨機(jī)梯度下降算法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快,因?yàn)槊看蔚恍枰?jì)算一個(gè)樣本(或一小批樣本)的梯度,而不是整個(gè)數(shù)據(jù)集的梯度。這使得它在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集時(shí)具有較高的計(jì)算效率。然而,隨機(jī)梯度下降算法的缺點(diǎn)是收斂速度可能較慢,且容易受到噪聲數(shù)據(jù)的影響,因?yàn)槊看蔚灰蕾?lài)于一個(gè)樣本的信息。為了克服這些問(wèn)題,研究者提出了很多改進(jìn)的隨機(jī)梯度下降算法,如帶動(dòng)量的SGD、RMSprop、Adam等。
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