学习算法梯度

A. 梯度下降法是什么

梯度下降法，是一种基于搜索的最优化方法，它其实不是一个机器学习算法，但是在机器学习领域，许多算法都是以梯度下降法为基础的，它的主要作用是寻找目标函数的最优解。

在求解损失函数的最小值时，可以通过梯度下降法来一步步的迭代求解，得到最小化的损失函数和模型参数值。反过来，如果我们需要求解损失函数的最大值，这时就需要用梯度上升法来迭代了。在机器学习中，基于基本的梯度下降法发展了两种梯度下降方法，分别为随机梯度下降法和批量梯度下降法。

常用的梯度下降法有3种不同的形式：

（1）批量梯度下降法，简称 BGD，使用所有样本，比较耗时；

（2）随机梯度下降法，简称 SGD，随机选择一个样本，简单高效；

（3）小批量梯度下降法，简称 MBGD，使用少量的样本，这是一个折中的办法。

B. 极限机学习和梯度学习算法的区别

梯度下降法是一个最优化算法，通常也称为最速下降法。最速下降法是求解无约束优化问题最简单和最古老的方法之一，虽然现在已经不具有实用性，但是许多有效算法都是以它为基础进行改进和修正而得到的。最速下降法是用负梯度方向为搜索方向的，最速下降法越接近目标值，步长越小，前进越慢。
梯度下降法(gradient descent)是一个最优化算法，通常也称为最速下降法。
常用于机器学习和人工智能当中用来递归性地逼近最小偏差模型。
顾名思义，梯度下降下法的计算过程就是沿递度下降的方向求解极小值（也可以沿递度上升方向求解极大值）。
其迭代公式为

,其中

代表梯度负方向，

表示梯度方向上的搜索步长。梯度方向我们可以通过对函数求导得到，步长的确定比较麻烦，太大了的话可能会发散，太小收敛速度又太慢。一般确定步长的方法是由线性搜索算法来确定，即把下一个点的坐标ak+1看做是的函数，然后求满足f(ak+1)的最小值的 即可。
因为一般情况下，梯度向量为0的话说明是到了一个极值点，此时梯度的幅值也为0.而采用梯度下降算法进行最优化求解时，算法迭代的终止条件是梯度向量的幅值接近0即可，可以设置个非常小的常数阈值。

C. BP学习算法是什么类型的学习算法它主要有哪些不足

BP算法是由学习过程由信号的正向传播与误差的反向传播两个过程组成。由于多层前馈网络的训练经常采用误差反向传播算法，人们也常把将多层前馈网络直接称为BP网络。

虽然BP算法得到广泛的应用，但它也存在不足，其主要表现在训练过程不确定上，具体如下。

1，训练时间较长。对于某些特殊的问题，运行时间可能需要几个小时甚至更长，这主要是因为学习率太小所致，可以采用自适应的学习率加以改进。

2，完全不能训练。训练时由于权值调整过大使激活函数达到饱和，从而使网络权值的调节几乎停滞。为避免这种情况，一是选取较小的初始权值，二是采用较小的学习率。

3，易陷入局部极小值。BP算法可以使网络权值收敛到一个最终解，但它并不能保证所求为误差超平面的全局最优解，也可能是一个局部极小值。

这主要是因为BP算法所采用的是梯度下降法，训练是从某一起始点开始沿误差函数的斜面逐渐达到误差的最小值，故不同的起始点可能导致不同的极小值产生，即得到不同的最优解。如果训练结果未达到预定精度，常常采用多层网络和较多的神经元，以使训练结果的精度进一步提高，但与此同时也增加了网络的复杂性与训练时间。

4，“喜新厌旧”。训练过程中，学习新样本时有遗忘旧样本的趋势。

(3)学习算法梯度扩展阅读：

BP算法最早由Werbos于1974年提出，1985年Rumelhart等人发展了该理论。BP网络采用有指导的学习方式，其学习包括以下4个过程。

1，组成输入模式由输入层经过隐含层向输出层的“模式顺传播”过程。

2，网络的期望输出与实际输出之差的误差信号由输出层经过隐含层逐层休整连接权的“误差逆传播”过程。

3，由“模式顺传播”与“误差逆传播”的反复进行的网络“记忆训练”过程。

4，网络趋向收敛即网络的总体误差趋向极小值的“学习收敛”过程。

D. 神经网络算法-梯度下降GradientDescent

神经网络文章索引

上一篇神经网络结构中，我们介绍了神经元的结构，激活函数以及每个神经元激活值的算法，涉及到权重、偏置值等。

上一篇结尾提到，对于28*28的黑白手写图像识别，我们需要13002个权重和偏置数值，才能让我们的神经网络最后输出正确结果。

所谓的机器学习，就是寻找这13002个数值的过程。首先这里有两点需要注意：

在负无穷到正无穷之间，如何获得一万多个数字最佳的匹配值？这比在全世界挑选1万人让TA们一起相爱还要难。

我们的做法是用计算机强大运算速度，暴力解决问题。

好了，现在，暴力不是问题，要想出奇迹的关键就在于如何找到如何 优化的规律 。

要想做优化，首先要明确目标，找到当前神经网络和期望结果之间的差距。

从下图可以看到，随机设定的神经网络最终输出的是混乱的一层（被黄色线框标出），距离最右边我们期望只点亮神经元3的情况差距很大。

我们把混乱输出层的每个神经元与期望层每个对应神经元激活值相减，然后平方，再累加在一起，这就是方差cost代价，如下图，计算得到cost是3.37。

我们用这个cost来表示当前神经网络13002个设定值和期望设定值之间的差距，当然，这个cost等于0是差距最小，也就是最接近期望设定值。——当然这只是针对数字3的1张图片来说，我们需要的是针对0~9共10个数字的数万张图片，cost都能是最小。

从下图，我们来看一下神经网络的功能。它能利用13002个设定值经过3层神经元激活值的计算，把784个像素亮度变为10个数字（我们期望这10个数字中只有一个是1，其他都是0）。

这13002个权重和偏置数字，加上激活值的算法，就是神经网络的“想法”。

我们再来看看代价函数的情况，如下图，它是利用很多很多的训练图片（已经明确了对应的数字），把13002个数字变为1个cost代价数。

写成函数形式

我们假设最简单的情况，只有1个权重和1个偏置：

x和y是任意可能的数值，我们希望知道当x和y是什么数值的时候z最小。

每一组[x,y]都对应唯一的z，我们可以假想，有无数个[x,y,z]这样的位置点，在三维空间坐标中，它们就会组成一个面（曲面或平面），如下图。

从几何意义上看，我们就是要找到凹陷最低的那个位置点的x,y的值，因为那里z也就是cost代价最低。

假设上面的xyz绘制的cost曲面是个山地，你是一个旅行者，需要行走找到最低点的位置，你会怎么办？

没错，只要一直往下走，那么就能走到所在区域的最低点。——当然，如果山后面还有更深的山谷，那么你可能找到的只是局部最低点，而并非世界最低点。

实际上，对于复杂的超多维度来说，找到世界最低点几乎是不可能任务。我们唯一能做的就是多找几个局部最低点，然后选择其中最低的那个。

同样，如果我们落脚在[x',y']，那么可以尝试对比[x'+0.1，y']，[x'-0.1，y'],[x'，y'-0.1],[x'，y'+0.1],如果[x'+0.1,y']是最低的，那么我们就走到这里，然后继续尝试对比四周点的高度。这就是梯度下降的算法。

如下图，我们沿着虚线一步一步下山找到最低点。

首先快速的从下图了解几个基本概念。
下图的弧线表示的是某个函数y=f(x)，比如抛物线方程y=x 2 。
曲线上任取两个点a,b，它们对应x和x+dx。（d是指德尔塔大写Δ，小写δ）
ab两点对应的y的差是dy。
现在直线ab看上去是曲线的割线（有ab两个交点）。
假设b点沿着曲线，越来越靠近a点，那么dx极限趋近于0，这时候dy也会越来越小趋近于0，但是！我们会意识到dy/dx永远不会是0，而最终它仍然是角∠cab的对边比邻边，也就是正切三角函数值。
实际上，这也正是曲线的切线的定义。
可以想象，我们取的a点越是靠右，那么这个切线越是竖直。
如果我们把这个切线看做表示某个一次方程，如y=mx+n这种形式，那么a点越靠右，直线越竖直，m值也就越大。
我们把m值叫做直线的斜率。

导数derivative ，一元函数y=f(x)（即因变量y只受到一个自变量x影响的函数）中任意取x，如果x增加极小趋近于0的Δx（或者写为dx),那么y相应的被增加Δy（或者写作dy），那么导数就是dy/dx，而又有dy=f(x+dx)-f(x)，所以：

从函数的曲线图上可以看到，某点的导数就是dx趋近于0时候∠cab的正切，导数反映了切线的陡峭程度，也就是y随着x变化的快慢程度。

微分differential ，简单说就是Δx和Δy，或者记作dx和dy。x称之为自变量，y称之为因变量，那么x趋近于最小的时候的值，就是x的微分（趋近0又不是0的那个神秘值），同样y的微分也是这个意思，总之是想得到又摸不到的神奇值。

斜率slope ，一元一次函数（直线方程）y=mx+n的系数m值。在这里就是a点的导数值f'(x)。

切线tangent ，某个点a的切线，就是经过a点的，以A点斜率为系数的方程y=f'(x)x+n所表示的直线。

自变量dependent variable和因变量 independent variable ，x自己的变化，引发y被动变化。

好了，我们来看 多变量微分Multivariable differential 。

上面都是一个y收到一个x的影响y=f(x)，多变量就是不止受到一个自变量的影响，我们以最简单的z=f(x,y)为例，z=x 2 +y 2 。

绿轴x的变化和红轴y的变化，都会对应蓝轴z的变化。
x从负无穷到正无穷无限种可能，y也是无限种可能，x和y复合到一起就在水平方向覆盖了全部地面，z值有高有低，就像现实世界中的海拔一样，把xy平面凸起或凹陷。（图中粉色没有画出全部曲面）

我们可以想象，这时候不能讨论A点的切线了，而应该考虑它的 切平面tangent plane （下图绿色平面）。

方向导数directional derivative ，就是曲面上过A点的任意曲线的切线（下图紫色线）组成的平面，就是切平面。

这么多紫色的方向中，哪一个方向最陡峭？对于这个z=x 2 +y 2 函数来说，明显是最接近竖直朝上的那个箭头和最接近竖直朝下的那个箭头。
和曲线一样道理，越陡峭意味着z对x、y的变化越敏感，或者说dx、dy的变化会引发更多的dz。
梯度gradient ，我们规定，能够引发因变量最快变化的那个切线正方向，就叫做曲面方程上这个点的梯度。注意梯度是个xyz表示的三维方向，例如[0，0，1]表示z轴竖直向上，[0.1,0.1,1]就往xy的正方向偏一点点。

对于只有xy两个变量的三维曲面来说，我们还可以只是考虑x+0.1,x-0.1,y+0.1,y-0.1这样的试探方法找到最低点，只要2*2=4次就可以了，周全一点也就8次。

但是对于我们手写数字识别中13002个自变量来说，那就要2 13002 次，这是不可行的。

借用多元微分，我们可以找到13002个自变量某一随机点对应的切平面（实际早已不是什么平面了，我们姑且这么说），也可以计算出其中变化最快的方向，就是梯度，数学家已经证明，不管多少个维度，沿着梯度往前走一步，都能获得最快变化后新的一个点，这个点是一个n维向量，对于我们的案例来说就是13003个新数字组成的数组[0.322,0.123,0.55,0.222,...0.233]共13003个数字。

唯一要说明的一点不同就是，为了找最低点，我们不是往上走，而是往相反的负方向，朝下走。

步长step size ，就是我们每次沿着 负梯度 往下走多远，在机器学习算法里面它叫做 学习率learning rate ，同样道理，步子迈小了走得太慢，找到最低点耗时间太久，步子太大了容易跳过最低点（注意，1万多维的复杂情况不是我们上面三维漏斗曲面那么简单可以描述的）。所以我们经常设置0.00001这样小的数字，好在很多机器学习程序都会适当的自动调整它（比如Tensorflow中的梯度下降优化GradientDescentOptimizer），实际上不会让它太慢。

同时，我们从上图中看到，计算出的负梯度是由很多数字组成的数组，每个数字代表一个维度（就像xy那样），所以我们只要在原来的位置点坐标（比如[x,y]）上分别把这个梯度（比如[0.1,-0.3])加上去就能得到新的点([x+0.1,y-0.3])。

内容小结

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END

E. 梯度的计算公式是什么

梯度的计算公式：gra=aₓ（∂u/∂x）+aᵧ（∂u/∂y）+az（∂u/∂z）

梯度的本意是一个向量（矢量），表示某一函数在该点处的方向导数沿着该方向取得最大值，即函数在该点处沿着该方向（此梯度的方向）变化最快，变化率最大（为该梯度的模）。

(5)学习算法梯度扩展阅读：

在向量微积分中，标量场的梯度是一个向量场。标量场中某一点上的梯度指向标量场增长最快的方向，梯度的长度是这个最大的变化率。更严格的说，从欧几里得空间Rn到R的函数的梯度是在Rn某一点最佳的线性近似。在这个意义上，梯度是雅可比矩阵的特殊情况。

在单变量的实值函数的情况，梯度只是导数，或者，对于一个线性函数，也就是线的斜率。

F. 机器学习中的降维算法和梯度下降法

机器学习中有很多算法都是十分经典的，比如说降维算法以及梯度下降法，这些方法都能够帮助大家解决很多问题，因此学习机器学习一定要掌握这些算法，而且这些算法都是比较受大家欢迎的。在这篇文章中我们就给大家重点介绍一下降维算法和梯度下降法。
降维算法
首先，来说一说降维算法，降维算法是一种无监督学习算法，其主要特征是将数据从高维降低到低维层次。在这里，维度其实表示的是数据的特征量的大小，当特征量大的话，那么就给计算机带来了很大的压力，所以我们可以通过降维计算，把维度高的特征量降到维度低的特征量，比如说从4维的数据压缩到2维。类似这样将数据从高维降低到低维有两个好处，第一就是利于表示，第二就是在计算上也能带来加速。
当然，有很多降维过程中减少的维度属于肉眼可视的层次，同时压缩也不会带来信息的损失。但是如果肉眼不可视，或者没有冗余的特征，这怎么办呢？其实这样的方式降维算法也能工作，不过这样会带来一些信息的损失。不过，降维算法可以从数学上证明，从高维压缩到的低维中最大程度地保留了数据的信息。所以说，降维算法还是有很多好处的。
那么降维算法的主要作用是什么呢？具体就是压缩数据与提升机器学习其他算法的效率。通过降维算法，可以将具有几千个特征的数据压缩至若干个特征。另外，降维算法的另一个好处是数据的可视化。这个优点一直别广泛应用。
梯度下降法
下面我们给大家介绍一下梯度下降法，所谓梯度下降法就是一个最优化算法，通常也称为最速下降法。最速下降法是求解无约束优化问题最简单和最古老的方法之一，虽然现在已经不具有实用性，但是许多有效算法都是以它为基础进行改进和修正而得到的。最速下降法是用负梯度方向为搜索方向的，最速下降法越接近目标值，步长越小，前进越慢。好比将函数比作一座山，我们站在某个山坡上，往四周看，从哪个方向向下走一小步，能够下降的最快;当然解决问题的方法有很多，梯度下降只是其中一个，还有很多种方法。
在这篇文章中我们给大家介绍了关于机器算法中的降维算法以及梯度下降法，这两种方法是机器学习中十分常用的算法，降维算法和梯度下降法都是十分实用的，大家在进行学习机器学习的时候一定要好好学习这两种算法，希望这篇文章能够帮助大家理解这两种算法。