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梯度下降
1.梯度下降的场景假设
梯度下降的基本过程就和下山的场景很类似。
首先，我们有一个可微分的函数。这个函数就代表着一座山。我们的目标就是找到这个函数的最小值，也就是山底。根据之前的场景假设，最快的下山的方式就是找到当前位置最陡峭的方向，然后沿着此方向向下走，对应到函数中，就是找到给定点的梯度 ，然后朝着梯度相反的方向，就能让函数值下降的最快！因为梯度的方向就是函数之变化最快的方向。
所以，我们重复利用这个方法，反复求取梯度，最后就能到达局部的最小值，这就类似于我们下山的过程。而求取梯度就确定了最陡峭的方向，也就是场景中测量方向的手段。
梯度实际上就是多变量微分的一般化。
下面这个例子：
我们可以看到，梯度就是分别对每个变量进行微分，然后用逗号分割开，梯度是用<>包括起来，说明梯度其实一个向量。
- 在单变量的函数中，梯度其实就是函数的微分，代表着函数在某个给定点的切线的斜率
- 在多变量函数中，梯度是一个向量，向量有方向，梯度的方向就指出了函数在给定点的上升最快的方向
梯度下降的数学解释
此公式的意义是：J是关于Θ的一个函数，我们当前所处的位置为Θ0点，要从这个点走到J的最小值点，也就是山底。首先我们先确定前进的方向，也就是梯度的反向，然后走一段距离的步长，也就是α，走完这个段步长，就到达了Θ1这个点！
下面就这个公式的几个常见的疑问：
- α是什么含义？
α在梯度下降算法中被称作为学习率或者步长，意味着我们可以通过α来控制每一步走的距离，以保证不要步子跨的太大扯着蛋，哈哈，其实就是不要走太快，错过了最低点。同时也要保证不要走的太慢，导致太阳下山了，还没有走到山下。所以α的选择在梯度下降法中往往是很重要的！α不能太大也不能太小，太小的话，可能导致迟迟走不到最低点，太大的话，会导致错过最低点！
- 为什么要梯度要乘以一个负号？
梯度前加一个负号，就意味着朝着梯度相反的方向前进！我们在前文提到，梯度的方向实际就是函数在此点上升最快的方向！而我们需要朝着下降最快的方向走，自然就是负的梯度的方向，所以此处需要加上负号
2.梯度下降算法实例
单变量函数的梯度下降
我们假设有一个单变量函数：
函数的微分：
初始化：
学习率为：
根据梯度下降公式：
我们开始进行梯度下降的迭代计算过程：
如图，经过四次的运算，也就是走了四步，基本就抵达了函数的最低点，也就是山底
多变量函数的梯度下降：
我们假设有一个目标函数：
现在要通过梯度下降法计算这个函数的最小值。我们通过观察就能发现最小值其实就是 (0，0)点。但是接下来，我们会从梯度下降算法开始一步步计算到这个最小值！
我们假设初始的起点为：
初始的学习率为：
函数的梯度为：
进行多次迭代：
我们发现，已经基本靠近函数的最小值点：（0,0）
3.梯度下降算法的实现：
下面我们将用python实现一个简单的梯度下降算法。场景是一个简单的线性回归的例子：假设现在我们有一系列的点，如下图所示
我们将用梯度下降法来拟合出这条直线！
首先，我们需要定义一个代价函数，在此我们选用均方误差代价函数(这个就是山坡！！！)
此公示中
- m是数据集中点的个数
- ½是一个常量，这样是为了在求梯度的时候，二次方乘下来就和这里的½抵消了，自然就没有多余的常数系数，方便后续的计算，同时对结果不会有影响
- y 是数据集中每个点的真实y坐标的值
- h 是我们的预测函数，根据每一个输入x，根据Θ 计算得到预测的y值，即:
我们可以根据代价函数看到，代价函数中的变量有两个，所以是一个多变量的梯度下降问题，求解出代价函数的梯度，也就是分别对两个变量进行微分
明确了代价函数和梯度，以及预测的函数形式。我们就可以开始编写代码了。但在这之前，需要说明一点，就是为了方便代码的编写，我们会将所有的公式都转换为矩阵的形式，python中计算矩阵是非常方便的，同时代码也会变得非常的简洁。
为了转换为矩阵的计算，我们观察到预测函数的形式：
我们有两个变量，为了对这个公式进行矩阵化，我们可以给每一个点x增加一维，这一维的值固定为1，这一维将会乘到Θ0上。这样就方便我们统一矩阵化的计算
然后我们将代价函数和梯度转化为矩阵向量相乘的形式（这里并没太懂，留成一个疑问吧）
4.编写代码：
首先，我们需要定义数据集和学习率
import numpy as np
#Size of the points dataset.
m = 20
#Points x-coordinate and dummy value (x0, x1).
X0 = np.ones((m, 1))
X1 = np.arange(1, m+1).reshape(m, 1)
X = np.hstack((X0, X1))
#Points y-coordinate
y = np.array([
3, 4, 5, 5, 2, 4, 7, 8, 11, 8, 12,
11, 13, 13, 16, 17, 18, 17, 19, 21
]).reshape(m, 1)
#The Learning Rate alpha.
alpha = 0.01
接下来我们以矩阵向量的形式定义代价函数和代价函数的梯度
def error_function(theta, X, y):
‘’‘Error function J definition.’’’
diff = np.dot(X, theta) - y
return (1./2*m) * np.dot(np.transpose(diff), diff)
def gradient_function(theta, X, y):
'''Gradient of the function J definition.'''
diff = np.dot(X, theta) - y
return (1./m) * np.dot(np.transpose(X), diff)
最后就是算法的核心部分，梯度下降迭代计算
def gradient_descent(X, y, alpha):
‘’‘Perform gradient descent.’’’
theta = np.array([1, 1]).reshape(2, 1)
gradient = gradient_function(theta, X, y)
while not np.all(np.absolute(gradient) <= 1e-5):
theta = theta - alpha * gradient
gradient = gradient_function(theta, X, y)
return theta
当梯度小于1e-5时，说明已经进入了比较平滑的状态，类似于山谷的状态，这时候再继续迭代效果也不大了，所以这个时候可以退出循环！
完整的代码如下
import numpy as np
#Size of the points dataset.
m = 20
#Points x-coordinate and dummy value (x0, x1).
X0 = np.ones((m, 1))
X1 = np.arange(1, m+1).reshape(m, 1)
X = np.hstack((X0, X1))
#Points y-coordinate
y = np.array([
3, 4, 5, 5, 2, 4, 7, 8, 11, 8, 12,
11, 13, 13, 16, 17, 18, 17, 19, 21
]).reshape(m, 1)
#The Learning Rate alpha.
alpha = 0.01
def error_function(theta, X, y):
'''Error function J definition.'''
diff = np.dot(X, theta) - y
return (1./2*m) * np.dot(np.transpose(diff), diff)
def gradient_function(theta, X, y):
'''Gradient of the function J definition.'''
diff = np.dot(X, theta) - y
return (1./m) * np.dot(np.transpose(X), diff)
def gradient_descent(X, y, alpha):
'''Perform gradient descent.'''
theta = np.array([1, 1]).reshape(2, 1)
gradient = gradient_function(theta, X, y)
while not np.all(np.absolute(gradient) <= 1e-5):
theta = theta - alpha * gradient
gradient = gradient_function(theta, X, y)
return theta
optimal = gradient_descent(X, y, alpha)
print('optimal:', optimal)
print('error function:', error_function(optimal, X, y)[0,0])
运行代码，计算得到的结果如下
所拟合出的直线如下
5.疑问和总结
从函数到矩阵表示没明白。
矩阵表示梯度没看明白。
codes没有认真理解。