经典数值优化算法--专题学习

通用的损失函数最优化的数值方法,来源于泰勒展开式,多元函数的泰勒展开式为:

一、一阶逼近与一阶方法

一阶泰勒展开式:

其中,是代表了β变化的可能性,t在之后说到的梯度下降方法中演变成了学习速率。

现在,我们需要第二项最小,向量内积,最小为-|梯度||a|,这就是β的改变量。梯度的方向是函数在给定点上升最快的方向,那么梯度的反方向就是函数在给定点下降最快的方向,这正是我们所需要的。所以我们只要沿着梯度的方向一直走,就能走到局部的最低点!

于是,演变成了:

倒三角符号就是梯度。梯度是函数关于每一个自变量的偏导组成的向量。物理意义就是一个在站在某一个点上,斜率最大的那个方向。(最常见的就是二维平面上曲线的斜率)。

二、二阶逼近与牛顿法

对损失函数进行二阶展开:

损失函数取得最小值的必要条件是:

最后得到β的迭代公式:

牛顿法需要用到Hessian矩阵,是损失函数的二阶导数组成的矩阵。于是上面的公式就变成了:

牛顿法要求Hessian矩阵必须是非负定的,才能求解出局部最小值。。

ps:当Hessian矩阵非正定时,收敛到局部最大值,不定时,收敛到鞍点。

另外,如果Hessian矩阵是病态的(求解方程组时如果对数据进行较小的扰动,则得出的结果具有很大波动,这样的矩阵称为病态矩阵。用条件数来衡量,矩阵A的条件数:K(A)=‖A-1‖*‖A‖。若K很大的时候,A为病态矩阵),需要通过正则化来处理,求伪逆。则损失函数的参数更新方程:

 

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