梯度下降法

 梯度下降算法是通过沿着目标函数J(θ)参数θ∈R的梯度(一阶导数)相反方向−∇θJ(θ)来不断更新模型参数来到达目标函数的极小值点（收敛），更新步长为η。

三种梯度下降优化框架

   有三种梯度下降算法框架，它们不同之处在于每次学习(更新模型参数)使用的样本个数，每次更新使用不同的样本会导致每次学习的准确性和学习时间不同。

• 全量梯度下降(Batch gradient descent) 
     每次使用全量的训练集样本来更新模型参数，即： 
  
  θ=θ−η⋅∇θJ(θ)

   其代码如下：

for i in range(epochs):
    params_grad = evaluate_gradient(loss_function,data,params)
    params = params - learning_rate * params_grad

   epochs 是用户输入的最大迭代次数。通过上诉代码可以看出，每次使用全部训练集样本计算损失函数loss_function的梯度params_grad，然后使用学习速率learning_rate朝着梯度相反方向去更新模型的每个参数params。一般各现有的一些机器学习库都提供了梯度计算api。如果想自己亲手写代码计算，那么需要在程序调试过程中验证梯度计算是否正确，具体验证方法可以参见：这里。 
   全量梯度下降每次学习都使用整个训练集，因此其优点在于每次更新都会朝着正确的方向进行，最后能够保证收敛于极值点(凸函数收敛于全局极值点，非凸函数可能会收敛于局部极值点)，但是其缺点在于每次学习时间过长，并且如果训练集很大以至于需要消耗大量的内存，并且全量梯度下降不能进行在线模型参数更新。

• 随机梯度下降(Stochastic gradient descent)

   随机梯度下降算法每次从训练集中随机选择一个样本来进行学习，即： 

θ=θ−η⋅∇θJ(θ;xi;yi)

   批量梯度下降算法每次都会使用全部训练样本，因此这些计算是冗余的，因为每次都使用完全相同的样本集。而随机梯度下降算法每次只随机选择一个样本来更新模型参数，因此每次的学习是非常快速的，并且可以进行在线更新。 
   其代码如下：

 

for i in range(epochs):
    np.random.shuffle(data)
    for example in data:
        params_grad = evaluate_gradient(loss_function,example,params)
        params = params - learning_rate * params_grad

   随机梯度下降最大的缺点在于每次更新可能并不会按照正确的方向进行，因此可以带来优化波动(扰动)，如下图：

 
图1 SGD扰动来源

   不过从另一个方面来看，随机梯度下降所带来的波动有个好处就是，对于类似盆地区域（即很多局部极小值点）那么这个波动的特点可能会使得优化的方向从当前的局部极小值点跳到另一个更好的局部极小值点，这样便可能对于非凸函数，最终收敛于一个较好的局部极值点，甚至全局极值点。 
   由于波动，因此会使得迭代次数（学习次数）增多，即收敛速度变慢。不过最终其会和全量梯度下降算法一样，具有相同的收敛性，即凸函数收敛于全局极值点，非凸损失函数收敛于局部极值点。

• 小批量梯度下降(Mini-batch gradient descent)

   Mini-batch梯度下降综合了batch梯度下降与stochastic梯度下降，在每次更新速度与更新次数中间取得一个平衡，其每次更新从训练集中随机选择m,m<n个样本进行学习，即： 

θ=θ−η⋅∇θJ(θ;xi:i+m;yi:i+m)

   其代码如下：

 

for i in range(epochs):
    np.random.shuffle(data)
    for batch in get_batches(data, batch_size=50):
        params_grad = evaluate_gradient(loss_function,batch,params)
        params = params - learning_rate * params_grad

   相对于随机梯度下降，Mini-batch梯度下降降低了收敛波动性，即降低了参数更新的方差，使得更新更加稳定。相对于全量梯度下降，其提高了每次学习的速度。并且其不用担心内存瓶颈从而可以利用矩阵运算进行高效计算。一般而言每次更新随机选择[50,256]个样本进行学习，但是也要根据具体问题而选择，实践中可以进行多次试验，选择一个更新速度与更次次数都较适合的样本数。

   mini-batch梯度下降虽然可以保证收敛性。mini-batch梯度下降常用于神经网络中。

问题与挑战

   虽然梯度下降算法效果很好，并且广泛使用，但同时其也存在一些挑战与问题需要解决：

• 选择一个合理的学习速率很难。如果学习速率过小，则会导致收敛速度很慢。如果学习速率过大，那么其会阻碍收敛，即在极值点附近会振荡。

• 学习速率调整(又称学习速率调度，Learning rate schedules)[11]试图在每次更新过程中，改变学习速率，如退火。一般使用某种事先设定的策略或者在每次迭代中衰减一个较小的阈值。无论哪种调整方法，都需要事先进行固定设置，这边便无法自适应每次学习的数据集特点[10]。

• 模型所有的参数每次更新都是使用相同的学习速率。如果数据特征是稀疏的或者每个特征有着不同的取值统计特征与空间，那么便不能在每次更新中每个参数使用相同的学习速率，那些很少出现的特征应该使用一个相对较大的学习速率。

• 对于非凸目标函数，容易陷入那些次优的局部极值点中，如在神经网路中。那么如何避免呢。Dauphin[19]指出更严重的问题不是局部极值点，而是鞍点(These saddle points are usually surrounded by a plateau of the same error, which makes it notoriously hard for SGD to escape, as the gradient is close to zero in all dimensions.)。