如何用Python理解人工智能優(yōu)化算法

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 概述

梯度下降是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中流行的優(yōu)化算法之一。一般來說，我們想要找到最小化誤差函數(shù)的權(quán)重和偏差。梯度下降算法迭代地更新參數(shù)，以使整體網(wǎng)絡(luò)的誤差最小化。

梯度下降是迭代法的一種,可以用于求解最小二乘問題(線性和非線性都可以)。在求解機(jī)器學(xué)習(xí)算法的模型參數(shù)，即無約束優(yōu)化問題時，梯度下降(Gradient  Descent)是最常采用的方法之一，另一種常用的方法是最小二乘法。在求解損失函數(shù)的最小值時，可以通過梯度下降法來一步步的迭代求解，得到最小化的損失函數(shù)和模型參數(shù)值。反過來，如果我們需要求解損失函數(shù)的最大值，這時就需要用梯度上升法來迭代了。在機(jī)器學(xué)習(xí)中，基于基本的梯度下降法發(fā)展了兩種梯度下降方法，分別為隨機(jī)梯度下降法和批量梯度下降法。

該算法在損失函數(shù)的梯度上迭代地更新權(quán)重參數(shù)，直至達(dá)到最小值。換句話說，我們沿著損失函數(shù)的斜坡方向下坡，直至到達(dá)山谷。基本思想大致如圖3.8所示。如果偏導(dǎo)數(shù)為負(fù)，則權(quán)重增加(圖的左側(cè)部分)，如果偏導(dǎo)數(shù)為正，則權(quán)重減小(圖中右半部分)  學(xué)習(xí)速率參數(shù)決定了達(dá)到最小值所需步數(shù)的大小。

圖3.8　隨機(jī)梯度最小化的基本思想

誤差曲面

尋找全局最佳方案的同時避免局部極小值是一件很有挑戰(zhàn)的事情。這是因?yàn)檎`差曲面有很多的峰和谷，如圖3.9所示。誤差曲面在一些方向上可能是高度彎曲的，但在其他方向是平坦的。這使得優(yōu)化過程非常復(fù)雜。為了避免網(wǎng)絡(luò)陷入局部極小值的境地，通常要指定一個沖量(momentum)參數(shù)。

圖3.9　典型優(yōu)化問題的復(fù)雜誤差曲面

我很早就發(fā)現(xiàn)，使用梯度下降的反向傳播通常收斂得非常緩慢，或者根本不收斂。在編寫第一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，我使用了反向傳播算法，該網(wǎng)絡(luò)包含一個很小的數(shù)據(jù)集。網(wǎng)絡(luò)用了3天多的時間才收斂到一個解決方案。幸虧我采取一些措施加快了處理過程。

說明 雖然反向傳播相關(guān)的學(xué)習(xí)速率相對較慢，但作為前饋算法，其在預(yù)測或者分類階段是相當(dāng)快速的。

隨機(jī)梯度下降

傳統(tǒng)的梯度下降算法使用整個數(shù)據(jù)集來計算每次迭代的梯度。對于大型數(shù)據(jù)集，這會導(dǎo)致冗余計算，因?yàn)樵诿總€參數(shù)更新之前，非常相似的樣本的梯度會被重新計算。隨機(jī)梯度下降(SGD)是真實(shí)梯度的近似值。在每次迭代中，它隨機(jī)選擇一個樣本來更新參數(shù)，并在該樣本的相關(guān)梯度上移動。因此，它遵循一條曲折的通往極小值的梯度路徑。在某種程度上，由于其缺乏冗余，它往往能比傳統(tǒng)梯度下降更快地收斂到解決方案。

說明 隨機(jī)梯度下降的一個非常好的理論特性是，如果損失函數(shù)是凸的 43 ，那么保證能找到全局最小值。

代碼實(shí)踐

理論已經(jīng)足夠多了，接下來敲一敲實(shí)在的代碼吧。

一維問題

假設(shè)我們需要求解的目標(biāo)函數(shù)是：

()=2+1f(x)=x2+1

顯然一眼就知道它的最小值是 =0x=0 處，但是這里我們需要用梯度下降法的 Python 代碼來實(shí)現(xiàn)。

#!/usr/bin/env python # -*- coding: utf-8 -*- """ 一維問題的梯度下降法示例 """   def func_1d(x):  """  目標(biāo)函數(shù)  :param x: 自變量，標(biāo)量  :return: 因變量，標(biāo)量  """  return x ** 2 + 1   def grad_1d(x):  """  目標(biāo)函數(shù)的梯度  :param x: 自變量，標(biāo)量  :return: 因變量，標(biāo)量  """  return x * 2   def gradient_descent_1d(grad, cur_x=0.1, learning_rate=0.01, precision=0.0001, max_iters=10000):  """  一維問題的梯度下降法  :param grad: 目標(biāo)函數(shù)的梯度  :param cur_x: 當(dāng)前 x 值，通過參數(shù)可以提供初始值  :param learning_rate: 學(xué)習(xí)率，也相當(dāng)于設(shè)置的步長  :param precision: 設(shè)置收斂精度  :param max_iters: 最大迭代次數(shù)  :return: 局部最小值 x*  """  for i in range(max_iters):  grad_cur = grad(cur_x)  if abs(grad_cur) < precision:  break # 當(dāng)梯度趨近為 0 時，視為收斂  cur_x = cur_x - grad_cur * learning_rate  print("第", i, "次迭代：x 值為 ", cur_x)   print("局部最小值 x =", cur_x)  return cur_x   if __name__ == '__main__':  gradient_descent_1d(grad_1d, cur_x=10, learning_rate=0.2, precision=0.000001, max_iters=10000)

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