Adam等机器学习深度学习主流优化算法简析

什么是优化算法？

简单来说就是一种通过迭代逼近最优解的方法，即最优解的渐近估计方法。

深度学习优化算法经历了 SGD -> SGDM -> NAG ->AdaGrad -> AdaDelta -> Adam -> Nadam 这样的发展历程，目前Adam应该是最常用的优化算法。

为什么需要优化算法？

1.有的问题并没有解析解，只能迭代求得近似解

2.问题有解析解，但是求解析解的计算复杂度大的无法接受

3.求解析解有新数据进来时候需要全部重算，而online算法则只需要更新一下

无动量或一阶动量方法

梯度下降基础公式

BGD（Batch gradient descent/批量梯度下降)：

• 简介：每一步迭代都用到训练集所有数据
• 缺点：该方法缺点是计算复杂度，存储复杂度都很高，只适用于小样本
• 优点：全局最优解，实现简单

SGD（Stochastic Gradient Descent/随机梯度下降)/MBGD(Mini-batch Gradient Descent/小批量梯度下降法):

• 简介：每步迭代用一小批样本
• 缺点：参数初始化敏感，容易陷入局部最小值，一般不是全局最优，收敛慢（路径是锯齿状的）。
• 优点：较BGD训练速度快，但依旧算是慢，经常会在局部最小值处震荡。
• 注意点：选取batch时候要尽量保持抽取的随机性，即熵最大准则。然后随机抽取的方式会引入噪声，所以即使算法到达最优解附近，算法仍会震荡，所以我们需要随着时间的推移逐渐降低学习率。

SGD with Momentum（引入动量）

• 简介：在SGD基础上引入一阶动量，即针对SGD的震荡问题，通过引入动量，抑制震荡，加速收敛。一阶动量为各个时刻梯度方向的指数移动平均值，
• 缺点：参数初始化敏感，容易陷入局部最小值，不是全局最优解，收敛慢

引入一阶动量的SGD

SGD with Nesterov Acceleration

梯度下降方向

• 简介：针对SGD-M的步骤一进行优化，SGD-M在t时刻的梯度下降方向，由历史累计动量与当前梯度方向共同决定，而本方法则选择先按照累计动量方向走一步，通过用下一步的梯度方向与历史累计动量结合来计算SGD-M中的梯度方向
• 缺点：参数初始化敏感，容易陷入局部最小值，一般不是全局最优，收敛慢（路径是锯齿状的）
• 优点：可以在梯度大跳跃后，对当前梯度进行校正。

二阶动量/自适应学习率

AdaGrad：

• 简介：希望对经常更新的参数，学习率低。而对更新少的参数，需要更大的学习速率。
• 缺点：需要人工设置全局学习率，参数更新次数多之后，可能导致训练提前终止，因为该算法从训练开始的时候就累积梯度的平方，导致学习率会过早和过量的减小。
• 优点：不需要对每个学习率调节，可自适应对不同参数有不同学习率。在稀疏数据的场景下表现优异。

AdaDelta：

• 简介：针对二阶动量持续累积导致训练提前终止的情况，引入时间窗，即将累积量改为指数移动平均值改为过去一段时间，而非一直累积。
• 缺点：会在局部最小值附近抖动
• 优点：不需要预设学习率，中期加速效果好，且避免参数更新两边单位不统一

RMSProp：

• 简介：基于AdaGrad梯度累积的思路，将梯度累积改为指数加权移动平均的方法，改善AdaGrad在非凸优问题上到达局部凸结构之前梯度已经变得太小，RMSProp通过指数衰减平均丢掉较远的历史，使其在找到凸碗状结构时学习率不至于太小，可以迅速收敛。
• 缺点：多引入了一个超参数
• 优点：在非凸问题上会比AdaGrad方法更好

Adam：

• 简介：将Momentum与RMSProp结合，引入动量与二阶据估计（指数加权），且通过校正因子提高对超参数的鲁棒。
• 优点：对超参数非常鲁棒，收敛速度快

NAdam：

• 简介：引入Nesterov动量的Adam，即将Adam的动量添加方式改为Nesterov动量
• 优点：对梯度矫正能力强