优化算法总结_1

• 一阶优化算法
• 梯度下降，负梯度方向上移动可以减小 f
• 二阶优化算法
• 二阶优化算法使用了二阶导数(也叫做Hessian方法)来最小化或最大化损失函数。由于二阶导数的计算成本很高，所以这种方法并没有广泛使用

• 大多数深度学习算法涉及某种形式的优化。
• 优化指的是改变 x 以最小化或最大 化某个函数 f(x) 的任务。我们通常以最小化 f(x) 指代大多数最优化问题。
• 最大化 可经由最小化算法最小化 ?f(x) 来实现
• 导数 f′(x) 代表 f(x) 在点 x 处的斜率。
• 它表明如何缩放输入的小变化才能在输出获得相应的变化:f(x + ε) ≈ f(x) + εf′(x)。
• 导数对于最小化一个函数很有用，因为它告诉我们如何更改 x 来略微地改 善 y 。
• 我们知道对于足够小的 ε 来说，f(x ? εsign(f′(x))) 是比 f(x) 小的，=f(x)-εf′(x)*sign(f′(x) 恒为负，sign x>=0,y=1, x<0, y=-1
• 负梯度方向减少函数值
• 使 f 下降得最快的方向 ，min ||u||||?xf(x)|| cos， 这在 u 与梯度方向相反时取得最小。
• 针对多维输入的函数，有偏导数的概念，针对xi, X处只有xi增加时，f(x)如何变化。
• 在单位向量u上的方向导数是 函数 f 在 u 方向 的斜率，方向导数是函数 f (x + αu) 关于 α 的导数(在 α=0 时取得)。
• 梯度向量指向上坡， 负梯度向量指向下坡。我们在负梯度方向上移动可以减小 f
• x′=x ? ε?xf(x)

• 梯度下降最小化损失函数，在神经网络模型中进行权重更新，即在一个方向上更新和调整模型的参数
• θ=θ?η×?(θ).J(θ)?是损失函数，其中η是学习率，?(θ)是损失函数J(θ)的梯度

批量梯度下降将计算整个数据集梯度，但只会进行一次更新

• 缺点
• 因此在处理大型数据集时速度很慢且难以控制，甚至导致内存溢出
• 优点
• 当目标函数为凸函数时，BGD一定能够得到全局最优，
• 方便的数据并行

随机梯度下降是每次迭代使用一个样本来对参数进行更新。使得训练速度加快

• 缺点：
• 准确度下降
• 由于即使在目标函数为强凸函数的情况下，SGD仍旧无法做到线性收敛可能会收敛到局部最优
• 由于单个样本并不能代表全体样本的趋势不易于并行实现
• 优点：
• 由于不是在全部训练数据上的损失函数，而是在每轮迭代中，随机优化某一条训练数据上的损失函数，这样每一轮参数的更新速度大大加快

每次迭代选取k个样本来进行参数更新

• 缺点
• batch_size的不当选择可能会带来一些问题。
• 优点
• 通过矩阵运算，每次在一个batch上优化神经网络参数并不会比单个数据慢太多。
• 每次使用一个batch可以大大减小收敛所需要的迭代次数，同时可以使收敛到的结果更加接近梯度下降的效果。
• 可实现并行化。

鞍点的定义： 鞍点在所有维度的

梯度是 0，但是在一些维 度上是最高点，在另一些维度上是最低点

• 利用Hessian矩阵，判断是否为鞍点，因为，Hessian在鞍点具有正负特征值，而在局部最小值点正定。
• 随机梯度，相当于给正确的梯度加了一点noise，一定程度上避免了鞍点
• 在梯度方向上引入随机性

最优化问题之如何逃离(跳出)鞍点（Saddle Points）最优化问题之如何逃离(跳出)鞍点（Saddle Points）

其实应该 动量法 Momentum ， NAG ， adam算法， AdaGrad、RMSprop、AdaDelta
都可以解决鞍点问题。

• 很难选择出合适的学习率
• 相同的学习率并不适用于所有的参数更新： AdaGrad、RMSprop、AdaDelta
• 高维空间如何逃离鞍点

动量法：上个步骤中更新向量的分量’γ’添加到当前更新向量 V(t)=γV(t?1)+η?(θ)J(θ)

• 优点：使网络能更优和更稳定的收敛减少振荡过程
• 缺点：容易错过最小值，到达最低点时动量太高，从而错过

Nesterov梯度加速法：先根据之前的动量进行大步跳跃，然后计算梯度进行校正

V(t)=γV(t?1)+η?(θ)J( θ?γV(t?1) )，然后使用θ=θ?V(t)来更新参数。

• 优点：这种预更新方法能防止大幅振荡，不会错过最小值，并对参数更新更加敏感

Adagrad：每个参数的维度上收敛速度都不相同，因此根据不同参数的收敛情况分别设置 学习率 ，

• 优点：不需要手工来调整学习率，
• 缺点：累计分母会越来越大，系数会越来越小，学习率会越来越小，很难找到最优点了

RMSprop: 解决adagrad的问题，由累计方式变成移动平均在迭代过程中，每个参数的学习率并不是呈 衰减趋势，既可以变小也可以变大

• 优点： 可以在有些情况下避免 AdaGrad 算法中学习率不断单调下降以至 于过早衰减的缺点.

adam: 计算了每个参数的对应学习率，还计算每个参数的对应动量变化并独立存储

• 优点：与其他自适应学习率算法相比，其收敛速度更快，学习效果更为有效，而且可以纠正其他优化技术中存在的问题，如学习率消失、收敛过慢或是高方差的参数更新导致损失函数波动较大等问题
• 缺点：Adam在某些情况下可能会不收敛

adamw: 因为L2正则化和weight decay 在adam上不等价，Adam优化带L2正则的损失并不有效：

• 正常的权重衰减是对所有的权重都采用相同的系数进行更新，本身比较大的一些权重对应的梯度也会比较大，惩罚也越大。
• 但由于Adam计算步骤中减去项会有除以梯度平方的累积，使得梯度大的减去项偏小，从而具有大梯度的权重不会像解耦权重衰减那样得到正则化

adamw的改进：将衰减值，放到最后的位置，使用相同的λ \\lambdaλ来正则化所有的权重，完成了梯度下降与weight decay的解耦

Adam有很多的优点，但是在很多数据集上的最好效果还是用SGD with Momentum细调出来的。可见Adam的泛化性并不如SGD with Momentum

原因：大部分的模型都会有L2 regularization约束项，因此很有可能出现Adam的最终效果没有sgd的好

量子学园：一文看懂各种神经网络优化算法：从梯度下降到Adam方法

优化方法总结以及Adam存在的问题(SGD, Momentum, AdaDelta, Adam, AdamW，LazyAdam)

批量梯度下降(BGD)、随机梯度下降(SGD)以及小批量梯度下降(MBGD)的理解 - LLLiuye - 博客园