实际编程梯度下降怎么算

时间:2025-01-26 15:56:40 网络游戏

实际编程中计算梯度下降的过程可以分为以下几个步骤:

初始化参数

选择一个初始点作为参数向量的起始值,通常可以选择随机值或零。

设定一个学习率,它决定了每次参数更新的步长。

计算梯度

对目标函数求偏导数,得到梯度向量。梯度向量表示函数在当前参数下的斜率,指向函数值增长最快的方向。

更新参数

根据计算得到的梯度向量和学习率,按照公式 \( \theta = \theta - \alpha \nabla J(\theta) \) 更新参数向量。其中,\( \theta \) 是参数向量,\( \alpha \) 是学习率,\( \nabla J(\theta) \) 是目标函数 \( J(\theta) \) 关于 \( \theta \) 的梯度。

迭代

重复步骤2和步骤3,直到满足收敛条件或达到预设的迭代次数。

收敛条件

梯度向量的范数(长度)接近于零,表示函数已经收敛到最小值点。

目标函数值的变化量小于预设的阈值,也可以作为收敛条件。

示例代码(Python)

```python

import numpy as np

def gradient_descent(gradient, start, learn_rate, n_iter=50, tolerance=1e-6):

"""

梯度下降算法实现

参数:

gradient -- 损失函数对参数的梯度函数

start -- 参数向量的初始值

learn_rate -- 学习率

n_iter -- 迭代次数

tolerance -- 收敛容忍度

返回:

local_min -- 局部最小值点

"""

vector = start

for _ in range(n_iter):

diff = -learn_rate * gradient(vector)

if np.linalg.norm(diff) < tolerance:

break

vector += diff

return vector

示例目标函数和梯度

def objective_function(x):

return x2

def gradient_of_objective(x):

return 2*x

初始化参数

start = 10.0

learn_rate = 0.1

执行梯度下降

local_min = gradient_descent(gradient_of_objective, start, learn_rate)

print(f"Local minimum at: {local_min}")

```

在这个示例中,我们定义了一个简单的目标函数 \( f(x) = x^2 \) 及其梯度 \( \nabla f(x) = 2x \)。通过调用 `gradient_descent` 函数,我们可以找到这个函数的局部最小值点。

类型

根据每次更新所使用的数据量,梯度下降算法可以分为以下几种主要类型:

批量梯度下降(Batch Gradient Descent)

使用整个训练集来计算梯度。

优点:对梯度估计准确。

缺点:当数据集较大时,计算代价高,内存占用大。

随机梯度下降(Stochastic Gradient Descent, SGD)

每次更新仅使用一个样本。

优点:收敛速度快,计算代价低。

缺点:收敛过程可能较慢且不稳定。

小批量梯度下降(Mini-batch Gradient Descent)

每次更新使用一小部分样本(例如32、64或128个样本)。

综合了批量梯度下降和随机梯度下降的优点,平衡了计算代价和收敛速度。

选择哪种类型的梯度下降算法取决于具体的应用场景和数据集大小。