机器学习---梯度下降算法

参考文章： 

http://ruder.io/optimizing-gradient-descent/

 https://www.jiqizhixin.com/articles/2016-11-21-4

tensorflow-梯度下降（代码）

深度解读最流行的优化算法：梯度下降（精简版）

这里主要进行梯度公式推导，基本知识和内容可参考上述博客：

(一)、Cost Function

线性回归是给出一系列点假设拟合直线为h(x)=theta0+theta1*x, 记Cost Function为J(theta0,theta1)

之所以说单参数是因为只有一个变量x，即影响回归参数θ1,θ0的是一维变量，或者说输入变量只有一维属性。

下图中为简化模式，只有theta1没有theta0的情况，即拟合直线为h(x)=theta1*x

左图为给定theta1时的直线和数据点×

右图为不同theta1下的cost function J(theta1)

cost function plot:

当存在两个参数theta0和theta1时，cost function是一个三维函数，这种样子的图像叫bowl-shape function

将上图中的cost function在二维上用不同颜色的等高线映射为如下右图，可得在左图中给定一个(theta0,theta1)时又图中显示的cost function.

我们的目的是最小化cost function,即上图中最后一幅图，theta0=450,theta1=0.12的情况。

（二）、Gradient descent

gradient descent是指梯度下降，为的是将cost funciton 描绘出之后，让参数沿着梯度下降的方向走，并迭代地不断减小J(theta0，theta1)，即稳态。

每次沿着梯度下降的方向：

参数的变换公式：其中标出了梯度（蓝框内）和学习率（α）：

gradient即J在该点的切线斜率slope，tanβ。下图所示分别为slope（gradient）为正和负的情况：

同时更新theta0和theta1，左边为正解：

关于学习率:

α太小：学习很慢；                                                             α太大：容易过学习

所以如果陷入局部极小，则slope=0，不会向左右变换

本图表示：无需逐渐减小α，就可以使下降幅度逐渐减小（因为梯度逐渐减小）：

求导后：

由此我们得到：

其中x(i)表示输入数据x中的第i组数据

梯度下降 step1： step 2： step 3：求偏导过程 所以，我们需要对每一个特征让它沿着导数递减的方向去移动: 对一个函数求偏导数，我们得出的是这个函数是上升/下降和他们的幅度，如果一个函数过于陡峭，我们很有可能移动过多，跑到了最低点的另外一边，然后下一次迭代又跑到了另外一边，循环往复……因此采用α来控制步长，避免移动过快或过慢 。 矩阵运算 其实，上面我们已经可以解决一般线性方程求近似最小值的问题了，但上面的方式不够直观，也不够简单，现在我们换一种解决方式——矩阵。 我们先将参数使用矩阵表示: 样本参数矩阵： 其中m代表是m个样本。 当我们将样本使用矩阵表示以后，h(θ)的表示就变成了： 对应的误差函数J(θ)自然也可以使用矩阵去表示。 通过一个m*n的矩阵我们就可以将有N个特征值、M个训练样本的误差值表示出来。 上面我们是通过最小二乘法去表示损失函数的，现在我们将矩阵表达的误差函数代入最小二乘法，得到下面的J(θ)表达式： 在进行公示推导之前，我们先复习几个矩阵运算的基础知识。 结合等式(2)和(3)我们又可以得出一个新的等式: 回忆完上面的线性代数基础以后，我们可以下面开始我们愉快的推导了： 在第三步的时候，我们利用了一个实数的trace等于这个实数的性质。 第四步的时候，我们利用了一个矩阵的trace=它的转置矩阵的trace的性质。 第五步的话，我们令A的转置=θ;B=X和它转置的积；C=I。 最后，我们令J(θ)的导数=0，这样θ的取值就代表了J(θ)的最小值。 所以，使用矩阵表示损失函数最小值的最终公式变为: 我们使用矩阵的目的是为了让我们的运算更简单易懂,我们推导出矩阵表示表达时的θ求值函数以后，只需要对样本参数做4次矩阵运算就可以求出特征矩阵,而不是像上面那样用好几个for循环。