吴恩达《机器学习》2-5-＞2-7:梯度下降算法与理解

一、梯度下降算法

梯度下降算法的目标是通过反复迭代来更新模型参数，以便最小化代价函数。代价函数通常用于衡量模型的性能，我们希望找到使代价函数最小的参数值。这个过程通常分为以下几个步骤：

1. 初始化参数： 随机或设定初始参数的数值，如 𝜃0, 𝜃1, ..., 𝜃𝑛。

2. 计算代价函数的梯度： 对于每个参数 𝜃𝑗，计算代价函数 J(𝜃0, 𝜃1, ..., 𝜃𝑛) 对该参数的偏导数，即梯度，表示为 ∂J/∂𝜃𝑗。

3. 更新参数： 使用梯度信息来更新参数，根据以下规则更新每个参数 𝜃𝑗

   𝜃𝑗 := 𝜃𝑗 - 𝛼 * ∂J/∂𝜃𝑗
   其中，𝛼是学习率（learning rate），它决定了每次参数更新的步长。

4. 重复迭代： 重复步骤2和步骤3，直到满足停止条件，如达到最大迭代次数或梯度足够小。

二、批量梯度下降

批量梯度下降（Batch Gradient Descent）是一种梯度下降的变体，其中在每一次参数更新时，使用整个训练数据集的信息。更新规则如下：

Repeat {𝜃𝑗 := 𝜃𝑗 - 𝛼 * (1/𝑚) * ∑ (ℎ𝜃(𝑥(𝑖)) - 𝑦(𝑖)) * 𝑥(𝑖) for 𝑖 = 1 to 𝑚
}
这表示在每一次迭代中，我们计算所有训练样本的梯度，然后对所有参数进行同时更新。

三、学习率的选择

学习率 𝛼 是一个重要的超参数，它控制了参数更新的速度。如果 𝛼 太小，模型会收敛得很慢，需要更多的迭代次数才能达到最小值。如果 𝛼 太大，可能会导致无法收敛，甚至发散。

在梯度下降法中，当我们接近局部最低点时，梯度下降法会自动采取更小的幅度，这是因为当我们接近局部最低点时，很显然在局部最低时导数等于零，所以当我们接近局部最低时，导数值会自动变得越来越小，所以梯度下降将自动采取较小的幅度，这就是梯度下降的做法。所以实际上没有必要再另外减小𝑎。

四、局部最小值

梯度下降通常会找到一个局部最小值，因为它不会尝试所有可能的参数组合。选择不同的初始参数组合可能导致不同的局部最小值。全局最小值通常很难找到，特别是对于复杂的代价函数。

参考资料：

[中英字幕]吴恩达机器学习系列课程

黄海广博士 - 吴恩达机器学习个人笔记