神经网络基础-神经网络补充概念-47-动量梯度下降法

概念

动量梯度下降法（Momentum Gradient Descent）是一种优化算法，用于加速梯度下降的收敛速度，特别是在存在高曲率、平原或局部最小值的情况下。动量法引入了一个称为“动量”（momentum）的概念，它模拟了物体在运动中积累的速度，使得参数更新更具有惯性，从而更平稳地更新参数并跳过一些不必要的波动。

基本原理和步骤

1初始化参数：初始化模型的参数。

2初始化速度：初始化速度为零向量。

3计算梯度：计算当前位置的梯度。

4更新速度：根据当前梯度和先前速度，计算新的速度。

velocity = beta * velocity + (1 - beta) * gradient

其中，beta 是动量的超参数，通常取值在0到1之间。

5更新参数：根据新的速度，更新模型的参数。

6重复迭代：重复执行步骤 3 到 5，直到达到预定的迭代次数（epochs）或收敛条件。

动量梯度下降法可以帮助算法跳过较为平坦的区域，加速收敛，并减少参数在局部最小值附近的震荡。这在深度学习中特别有用，因为神经网络的参数空间通常很复杂。

代码实现

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 生成随机数据
np.random.seed(0)
X = 2 * np.random.rand(100, 1)
y = 4 + 3 * X + np.random.randn(100, 1)

# 添加偏置项
X_b = np.c_[np.ones((100, 1)), X]

# 初始化参数
theta = np.random.randn(2, 1)

# 学习率
learning_rate = 0.01

# 动量参数
beta = 0.9
velocity = np.zeros_like(theta)

# 迭代次数
n_iterations = 1000

# 动量梯度下降
for iteration in range(n_iterations):
    gradients = 2 / 100 * X_b.T.dot(X_b.dot(theta) - y)
    velocity = beta * velocity + (1 - beta) * gradients
    theta = theta - learning_rate * velocity

# 绘制数据和拟合直线
plt.scatter(X, y)
plt.plot(X, X_b.dot(theta), color='red')
plt.xlabel('X')
plt.ylabel('y')
plt.title('Linear Regression with Momentum Gradient Descent')
plt.show()

print("Intercept (theta0):", theta[0][0])
print("Slope (theta1):", theta[1][0])