导数,数值微分,偏导数,以及梯度下降的Python示例

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  • 导数
  • 数值微分
  • 偏导数
  • 梯度(gradient)

导数

一个函数在某一点的导数描述了这个函数在这一点附近的变化率:
在这里插入图片描述
例如一元函数中,某一点的p导数,描述了该点切线的斜率:
导数,数值微分,偏导数,以及梯度下降的Python示例_第1张图片

数值微分

解析性求导 :利用数学推导计算导数,如:
y=x2, 则y’=2x
数值微分:利用微小的差分求导。即根据导数定义公式,代入一个极小的∆x,求出变化率。

python示例:分别用数值微分和解析求导计算f=x2在x=2处的导数:

#定义函数f
def f(x):
    return x*x

# 定义数值微分计算方法
def numerical_diff(f, x):
    h = 1e-4 #0.0001,∆x,注意不能太小,会导致舍入误差而变成0
    return (f(x+h)-f(x-h))/(2*h) #计算变化率

x=2
print('数值微分结果:{}'.format(numerical_diff(f, x)))
print('解析求导结果:{}'.format(2*x))

偏导数

对于有多个自变量的函数,例如Z=f(X,Y),有下图:
导数,数值微分,偏导数,以及梯度下降的Python示例_第2张图片
在x保持不变的情况下(图中的黑线),Z值仅随Y值变化,该变化率即为函数对Y的偏导(图中斜率)
导数,数值微分,偏导数,以及梯度下降的Python示例_第3张图片
计算偏导时,将其他自变量视为常数。
例:求y=x2+3xy+y2在点(1,2)处对x的偏导数
解:将y视为常量,根据求导公式:
y’=2x+3y,
所以在点(1,2)处对x的偏导数为:2×1+3×2=8

梯度(gradient)

对于有多个变量的函数,对每个变量分别计算偏导数,这些偏导数汇合而成的向量,称为梯度。
对于上面举的例子,在某一点分别计算X和Y的偏导数,这两个偏导数组成的向量,就是梯度。梯度代表着函数值变化率最快的方向:
导数,数值微分,偏导数,以及梯度下降的Python示例_第4张图片
梯度计算的python示例:
令:y=x02+x12

import numpy as np

# 定义函数,主要x为二维数组
def f(x):
    return x[0]**2+x[1]**2

# 通过数值微分计算梯度,注意x为数组
def numerical_gradient(f,x):
    h=1e-4 #0.0001,∆x,注意不能太小,会导致舍入误差而变成0
    grad=np.zeros_like(x)

    for index in range(x.size):
        #计算第index个x的偏导数
        temp_val=x[index]
        x[index]=temp_val+h
        fxh1=f(x)
        x[index]=temp_val-h
        fxh2=f(x)

        # 将偏导数存为梯度向量
        grad[index]=(fxh1-fxh2)/(2*h)
        x[index]=temp_val

    return  grad

# 随便计算两个点的梯度
print(numerical_gradient(f,np.array([3.0,4.0])))
print(numerical_gradient(f,np.array([0.0,2.0])))

输出结果为
[6. 8.]
[0. 4.]

#梯度的直观理解
上例中,y=x02+x12,通过python画图如下:
导数,数值微分,偏导数,以及梯度下降的Python示例_第5张图片
我们将x0和x1在[-2,2]区间内每个点的‘负梯度’计算并用python画出来:
导数,数值微分,偏导数,以及梯度下降的Python示例_第6张图片
可以看到,每个点的梯度都指向(0,0)点,这一点正是令函数值最小的点(函数值为0),而且距离该点越远,梯度越大,意味着函数值下降的速度越快。这个特性,在机器学习中具有非常重要的作用!

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