人工智能数学基础04之:梯度等高线

先抛出一个问题:梯度下降的方向为什么与切线方向垂直?

人工智能数学基础04之:梯度等高线_第1张图片      人工智能数学基础04之:梯度等高线_第2张图片
从图上能够看出,也经常听老师同学说起,梯度下降的方向与等高线的切线方向垂直。
那么为什么会垂直呢?其实是一个高数问题。
解释
假设我们的损失函数为z=f(x,y),在几何上表示是一个曲面,该曲面被平面c(c为常数)所截得的曲线l方程为:
人工智能数学基础04之:梯度等高线_第3张图片
这条曲线l在xoy轴面上的投影是一条平面曲线Q,它在xoy平面直角坐标系中的方程为

f(x,y)=c

则我们称平面曲线Q为函数z=f(x,y)的等高线。
由于等高线f(x,y)=c上任一一点的切线斜率用dy/dx来求。
则等高线f(x,y)=c上任一一点(x,y)处的法线的斜率为:
人工智能数学基础04之:梯度等高线_第4张图片,其中θ为法线和x轴的夹角
ps:上式中dy/dx=-fx/fy如何推导见[隐函数导数推导]
又因为梯度的计算式子为:
在这里插入图片描述
z=f(x,y)的梯度向量为 人工智能数学基础04之:梯度等高线_第5张图片 ,设该向量与x轴的夹角大小为 γ,则可以得到梯度的方向为:
在这里插入图片描述

从上可以看出梯度的方法与等高线f(x,y)=c上任一一点的法线斜率是相同的。
这也就解释了为什么梯度的方向与等高线切线方向垂直的原因。
结论如下:
函数z=f(x,y)在点p(x,y)的梯度的方向与过点p的等高线f(x,y)=c在这点的法线方向相同。梯度的方向与等高线切线方向垂直

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