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数学建模学习（116）：全面解析梯度下降算法及其在机器学习中的应用与优化

news 2025/7/14 15:24:25

文章目录

    • 1.梯度下降简介
      • 1.1 梯度下降的数学原理
      • 1.2 学习率的选择
    • 2 梯度下降变体
    • 3.梯度下降优化器
      • 3.1 动量法（Momentum）
      • 3.2 AdaGrad
      • 3.3 RMSprop
      • 3.4 Adam
      • 3.5 Python 使用不同优化器训练线性回归模型
    • 4.案例：使用梯度下降优化加利福尼亚房价预测模型
      • 4.1. 数据准备
      • 4.2. 模型训练与优化
      • 4.3. 实验结果对比
      • 4.4. 结果分析
      • 4.5. 总结

1.梯度下降简介

一种为机器学习模型奠定基础的优化算法是梯度下降法（Gradient Descent，简称GD）。梯度下降是一种简单而有效的工具，适用于训练此类模型。正如其名称所示，梯度下降涉及“向下移动”。我们在一个景观中选择一个方向，并沿着该方向采取每一步，让我们“向下走”。步长的大小取决于坡度（即梯度）的陡峭程度。在机器学习（ML）模型中，梯度下降估计误差的梯度，帮助最小化成本函数。很少有优化方法能够像梯度下降一样计算效率高。GD 还为深度学习模型的优化奠定了基础。

在参数无法通过线性代数方法解析计算的情况下，必须通过优化来搜索时，梯度下降法找到了它最好的用武之地。该算法通过沿着最陡下降方向迭代地移动来工作。在每次迭代中，模型参数（如线性回归中的系数和神经网络中的权重）都会更新。模型将持续更新其参数，直到成本函数收敛或达到最小值（即图1.1a中坡度的底部）。

在这里插入图片描述

1.1 梯度下降的数学原理

梯度下降法的目标是通过迭代的方法最小化目标函数 J ( θ

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