机器学习-优化器：梯度下降法的原理及其优缺点

批量梯度下降法

在机器学习中，优化问题的目标函数通常可以表示成

其中， θ是待优化的模型参数 ， x是模型输入，$f(x,\theta )$的是模型的实际输出，y是模型的目标输出，函数 L 刻画了模型在数据 （x,y） 上的损失$p_{data}$表示数据的分布， E表示期望。 因此 ，$L(\theta )$的刻画了当参数为 θ 时， 模型在所有数据上的平均损失。我们希望能够找到平均损失最小的模型参数,也就是求解优化问题

经典的梯度下降法采用所有训练数据的平均损失来近似目标函数，即


其中，M是训练样本的个数。模型参数的重新公式为

因此，经典的梯度下降法在每次对模型参数进行更新时，需要遍历所高的训练数据。当 M很大时，这需要很大的计算量 ，耗费很长的计算时间 ，在实际应用中基本不可行。

为了解决该问题，提出了随机梯度下降法。

随机梯度下降法（ Stochastic Gradient Descent, SGD ）

随机梯度下降法每次用单个训练样本的损失来近似平均损失，即

因此，随机梯度下降法用单个训练数据即可对模型参数进行一次重新，大大加快了收敛速率。此方法也非常适用于数据源源不断到来的在线重新场景。

小批量梯度下降法（ Mini-Batch Gradient Descent ）

为了降低随机梯度的万差，从而使得迭代算法更加稳定，也为了充分利用高度优化的矩阵运算操作，在实际应用中我们会同时处理若干训练数据，该方法被称为小批量梯度下降法（ Mini-Batch Gradient Descent ）。假设需要同时处理 m 个训练数据 则目标函数及其梯度为

对于小批量梯度下降法的使用，有以下三点需要注意的地方：

( 1 ）如何选取参数 m ？
在不同的应用中，最优的 m 通常会不一样，需要通过调参选取。一般 m 取 2 的幂次方时能充分利用矩阵运算操作，所以可以在 2 的幂次中挑选最优的取值，例如 32 、 64、 128 、 256 等。
( 2 ）如何挑选 m 个训练数据？
为了避免数据的特定顺序给算法收敛带来的影响，一般会在每次遍历训练数据之前，先对所有的数据进行随机排序，然后在每次迭代时按顺序挑选 m 个训练、数据直至遍历完所有的数据。
（ 3 ）如何选取学习速率α？
为了加快收敛速率，同时提高求解精度， 通常会采用衰减学习速率的方案 一开始算法采用较大的学习速率，当 误差曲线进入平台期后，减小学习速率做更精细的调整。最优的学习速率方案也通常需要调参才能得到。

综上，通常采用小批量梯度下降法解决训练数据量过大的问题。每次更新模型参数时，只需要处理 m 个训练数据即可，其中 m 是一个远小于总数据量 M的常数，这样能够大大加快训练过程。

随机梯度下降法失效的原因

深度学习中最常用的优化方法是随机梯度下降法，但是随机梯度下降法偶尔也会失效 ，无法给出满意的训练结果 ， 这是为什么？

为了回答这个问题，我们先做一个形象的比喻。 想象一下，你正在下山 ， 视力很好，能看清自己所处位置的坡度，那么沿着坡向下走，最终你会走到山底。如果你被蒙上双眼 ，只能凭脚底睬石头的感觉判断当前位置的坡度 ， 精确性就大大下降，有时候你认为的坡 ，3实际上可能并不是坡，走上一段时间发现没有下山，或者曲曲折忻走了好多弯路才下山 。

类似地，批量梯度下降法（ Batch Gradi ent Descent, BGD ）就好比正常下山， 而随机梯度下降法就好比蒙着眼睛下山 。为了获取准确的梯度，批量梯度下降法的每步都把整个训练集载入进来进行计算，时间花费和内存开销部非常大，无法应用于大数据集、大模型的场景。相反， 随机梯度下降法则放弃了对梯度准确性的追求，每步仅仅随机采样一个（或少量）样本来估计当前梯度，计算速度快，内存开销小。但由于每步接受的信息量有限 ，随机梯度下降法对梯度的估计常常出现偏差，造成目标函数曲线收敛得很不稳定，
伴有剧烈波动，有时甚至出现不收敛的情况。 下图展示了两种方法在优化过程中的参数轨迹，可以看出，批量梯度下降法稳定地逼近最低点，而随机梯度下降；去的参数轨迹曲曲折折简直是 “黄河十八弯”。

进一步地，有人会说深度学习中的优化问题本身就很难，有太多局部最优点的陷阱。没错，这些陷阱对随机梯度下降法和批量梯度下降法都是普遍存在的 。 但对随机梯度下降法来说 ， 可怕的不是局部最优点，而是山谷和鞍点两类地形。 山谷顾名思义就是狭长的山间小道，左右两 边是峭壁；鞍点的形状像是一个马鞍， 一个方向上两头翘，另一个方向上两头垂 ， 而中心区域是一片近乎水平的平地。 为什么随机梯度下降法最害怕遇上这两类地形呢？在山谷中，准确的梯度方向是沿山道向下，稍有偏离就会撞向山壁，而粗糙的梯度估计使得它在两山壁间来回反弹震荡，不能沿山道方向迅速下降 ，导致收敛不稳定和收敛速度慢。在鞍点处，随机梯度下降法会走入一片平坦之地（此时离最低点还很远，故也称 plateau ） 。 想象一下蒙着双眼只凭借脚底感觉坡度 ，如果坡度很明显，那么基本能估计出下山的大致方向 ， 如果坡度不明显，则很可能走错方向 。 同样，在梯度近乎为零的区域，随机梯度下降法无法准确察觉出梯度的微小变化， 结果就停滞下来。

下一节将介绍为了改进随机梯度下降法，研究者作出的改进，提出的新的优化方法 动量SGD、AdaGrad 以及Adam。