【深度学习】常见优化算法的NumPy和PyTorch实现
以下是NumPy和PyTorch实现的几种常见优化算法：
其中参数含义如下：
w：待优化参数。
grad：参数的梯度。
lr：学习率。
mu：动量系数（仅对Momentum算法有用）。
eps：防止除0操作的小量。
cache：参数的暂存值，在不同算法中有不同的含义。
decay_rate：衰减率，仅在RMSprop和Adam算法中使用。
t：迭代步骤数，仅在Adam算法中使用。
m：动量梯度的暂存值，仅在Adam算法中使用。
v：平方梯度的暂存值，仅在Adam算法中使用。
1. 随机梯度下降（SGD）
随机梯度下降算法是最基本的优化算法之一，每次更新参数时，使用一个样本的梯度来更新参数，这样可以避免在大数据集中计算整个数据集的梯度。
算法公式：
其中，表示次迭代时的参数值，表示参数的梯度，为学习率。这个算法每次迭代只计算一个样本的梯度，速度快，但可能会引起算法的震荡。
Numpy实现代码：
import numpy as np
def sgd(w, grad, lr):
w -= lr * grad
return wPyTorch实现代码：
import torch.optim as optim
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate)2. 动量（Momentum）
动量算法可以加速梯度下降，并减少梯度下降的震荡。它引入一个额外的动量参数，用于记住之前梯度下降的方向，从而减少在各个方向上波动的情况。
算法公式：
其中，表示次迭代时的参数值，表示参数的梯度，为学习率，是动量参数。这个算法将之前梯度下降方向的信息与当前梯度下降方向结合起来，可以更好地适应数据集。
Numpy实现代码：
import numpy as np
def momentum(v, grad, lr, mu):
v = mu * v - lr * grad
return vPyTorch实现代码：
import torch.optim as optim
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate, momentum=momentum)3. Adagrad
Adagrad是一种自适应学习率算法，它根据每个参数的梯度值来适应学习率的调整，并对使用频率高的参数进行更快的学习率更新。
算法公式：
其中，表示次迭代时的参数值，表示参数的梯度，为学习率，为所有梯度的平方和的累加量，是一个很小的数，用来避免除以0。
Adagrad的缺点是在处理大规模数据集时，学习率会变得过小，导致算法收敛缓慢，并且不能区分参数的重要性。
Numpy实现代码：
import numpy as np
def adagrad(w, grad, lr, eps, cache):
cache += grad ** 2
w -= lr * grad / (np.sqrt(cache) + eps)
return w, cachePyTorch实现代码：
import torch.optim as optim
optimizer = optim.Adagrad(model.parameters(), lr=learning_rate)4. RMSprop
RMSprop是一种自适应学习率算法，它根据梯度的有限滑动平均值来调整每个参数的学习率。
算法公式：
其中，表示次迭代时的参数值，表示参数的梯度，为学习率，为所有梯度的平方的滑动平均值，是一个很小的数，用来避免除法时出现除以0的情况，是衰减率。
RMSprop是Adagrad的扩展，它使用了滑动平均，解决了Adagrad不能区分参数重要性的问题。
Numpy实现代码：
import numpy as np
def rmsprop(w, grad, lr, eps, decay_rate, cache):
cache = decay_rate * cache + (1 - decay_rate) * grad ** 2
w -= lr * grad / (np.sqrt(cache) + eps)
return w, cachePyTorch实现代码：
import torch.optim as optim
optimizer = optim.RMSprop(model.parameters(), lr=learning_rate)5. Adam
Adam是一种自适应学习率算法，它结合了动量算法和自适应学习率算法，可以对不同梯度的参数调整学习率，对不同方向上的梯度进行更好的调整。
算法公式：
其中，表示次迭代时的参数值，表示参数的梯度，为学习率，为动量估计值，为带平方梯度的指数加权平均数，是一个很小的数，用来避免除以0，是动量系数，是偏差校正数。
Adam算法相对于其他优化算法，具有更好的适应性和计算效率，被广泛应用在深度学习中。
Numpy实现代码：
import numpy as np
def adam(w, grad, lr, eps, decay_rate_1, decay_rate_2, t, m, v):
m = decay_rate_1 * m + (1 - decay_rate_1) * grad
v = decay_rate_2 * v + (1 - decay_rate_2) * (grad ** 2)
mb = m / (1 - decay_rate_1 ** t)
vb = v / (1 - decay_rate_2 ** t)
w -= lr * mb / (np.sqrt(vb) + eps)
return w, m, vPyTorch实现代码：
import torch.optim as optim
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)以上就是numpy和PyTorch实现的几种优化算法的代码，大家可以根据实际需求选择合适的优化算法。