快捷導(dǎo)航

利用python實現(xiàn)3種梯度下降算法

更新時間：2023年12月18日 11:08:12 作者：艾派森

梯度下降法是一種優(yōu)化算法,用于求解函數(shù)的最小值或最大值,它通過迭代的方式,沿著函數(shù)的梯度方向逐步調(diào)整參數(shù),以找到函數(shù)的極值點,本文給大家介紹了利用python實現(xiàn)3種梯度下降算法,需要的朋友可以參考下

全量梯度下降

Batch Gradient Descent

在梯度下降中，對于θ的更新，所有的樣本都有貢獻(xiàn)，也就是參與調(diào)整θ。其計算得到的是一個標(biāo)準(zhǔn)梯度。因而理論上來說一次更新的幅度是比較大的。如果樣本不多的情況下，當(dāng)然是這樣收斂的速度會更快啦。全量梯度下降每次學(xué)習(xí)都使用整個訓(xùn)練集，因此其優(yōu)點在于每次更新都會朝著正確的方向進(jìn)行，最后能夠保證收斂于極值點(凸函數(shù)收斂于全局極值點，非凸函數(shù)可能會收斂于局部極值點)，但是其缺點在于每次學(xué)習(xí)時間過長，并且如果訓(xùn) 練集很大以至于需要消耗大量的內(nèi)存，并且全量梯度下降不能進(jìn)行在線模型參數(shù)更新。

代碼實現(xiàn)：

import numpy as np
 
# 創(chuàng)建數(shù)據(jù)集X，y
np.random.seed(1)
X = np.random.rand(100, 1)
y = 4 + 3*X + np.random.randn(100, 1)
X_b = np.c_[np.ones((100, 1)), X]
 
# 創(chuàng)建超參數(shù)
n_iterations = 10000
t0, t1 = 5, 500
 
# 定義一個函數(shù)來動態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)率
def learning_rate_schedule(t):
    return t0/(t+t1)
 
# 1,初始化θ, W0...Wn，標(biāo)準(zhǔn)正太分布創(chuàng)建W
theta = np.random.randn(2, 1)
# 4,判斷是否收斂，一般不會去設(shè)定閾值，而是直接采用設(shè)置相對大的迭代次數(shù)保證可以收斂
for i in range(n_iterations):
    # 2,求梯度，計算gradient
    gradients = X_b.T.dot(X_b.dot(theta)-y)
    # 3,應(yīng)用梯度下降法的公式去調(diào)整θ值 θt+1=θt-η*gradient
    learning_rate = learning_rate_schedule(i)
    theta = theta - learning_rate * gradients
print(theta)

[[4.23695725]
 [2.68492509]]

隨機(jī)梯度下降

Stochastic Gradient Descent

梯度下降算法每次從訓(xùn)練集中隨機(jī)選擇一個樣本來進(jìn)行學(xué)習(xí)。批量梯度下降算法每次都會使用全部訓(xùn)練樣本，因此這些計算是冗余的，因為每次都使用完全相同的樣本集。而隨機(jī) 梯度下降算法每次只隨機(jī)選擇一個樣本來更新模型參數(shù)，因此每次的學(xué)習(xí)是非?？焖俚?，并且可以進(jìn)行在線更新。隨機(jī)梯度下降最大的缺點在于每次更新可能并不會按照正確的方向進(jìn) 行，因此可以帶來優(yōu)化波動(擾動)。

不過從另一個方面來看，隨機(jī)梯度下降所帶來的波動有個好處就是，對于類似盆地區(qū)域（即很多局部極小值點）那么這個波動的特點可能會使得優(yōu)化的方向從當(dāng)前的局部極小值點跳到另一個更好的局部極小值點，這樣便可能對于非凸函數(shù)，最終收斂于一個較好的局部極值點，甚至全局極值點。由于波動，因此會使得迭代次數(shù)（學(xué)習(xí)次數(shù)）增多，即收斂速度變慢。不過最終其會和全量梯度下降算法一樣，具有相同的收斂性，即凸函數(shù)收斂于全局極值點，非凸損失函數(shù)收斂于局部極值點。

代碼實現(xiàn)：

import numpy as np
 
# 創(chuàng)建數(shù)據(jù)集
X = 2*np.random.rand(100, 1)
y = 4 + 3*X + np.random.randn(100, 1)
X_b = np.c_[np.ones((100, 1)), X]
# 創(chuàng)建超參數(shù)
n_epochs = 10000
m = 100
t0, t1 = 5, 500
 
# 定義一個函數(shù)來調(diào)整學(xué)習(xí)率
def learning_rate_schedule(t):
    return t0/(t+t1)
 
theta = np.random.randn(2, 1)
for epoch in range(n_epochs):
    # 在雙層for循環(huán)之間，每個輪次開始分批次迭代之前打亂數(shù)據(jù)索引順序
    arr = np.arange(len(X_b))
    np.random.shuffle(arr)
    X_b = X_b[arr]
    y = y[arr]
    for i in range(m):
        xi = X_b[i:i+1]
        yi = y[i:i+1]
        gradients = xi.T.dot(xi.dot(theta)-yi)
        learning_rate = learning_rate_schedule(epoch*m + i)
        theta = theta - learning_rate * gradients
 
print(theta)

[[3.91306085]
 [3.16087742]]

小批量梯度下降

Mini-Batch Gradient Descent

Mini-batch 梯度下降綜合了 batch 梯度下降與 stochastic 梯度下降，在每次更新速度與更新次數(shù)中間取得一個平衡，其每次更新從訓(xùn)練集中隨機(jī)選擇 batch_size，batch_size < m 個樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)。相對于隨機(jī)梯度下降算法，小批量梯度下降算法降低了收斂波動性，即降低了參數(shù)更新的方差，使得更新更加穩(wěn)定。相對于全量梯度下降，其提高了每次學(xué)習(xí)的速度。并且其不用擔(dān)心內(nèi)存瓶頸從而可以利用矩陣運算進(jìn)行高效計算。一般而言每次更新隨機(jī)選擇[50,256]個樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，但是也要根據(jù)具體問題而選擇，實踐中可以進(jìn)行多次試驗，選擇一個更新速度與更次次數(shù)都較適合的樣本數(shù)。

代碼實現(xiàn)：

import numpy as np
 
# 創(chuàng)建數(shù)據(jù)集X，y
X = 2*np.random.rand(100, 1)
y = 4 + 3*X + np.random.randn(100, 1)
X_b = np.c_[np.ones((100, 1)), X]
 
# 創(chuàng)建超參數(shù)
t0, t1 = 5, 500
 
# 定義一個函數(shù)來動態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)率
def learning_rate_schedule(t):
    return t0/(t+t1)
 
n_epochs = 100000
m = 100
batch_size = 10
num_batches = int(m / batch_size)
 
theta = np.random.randn(2, 1)
for epoch in range(n_epochs):
    arr = np.arange(len(X_b))
    np.random.shuffle(arr)
    X_b = X_b[arr]
    y = y[arr]
    for i in range(num_batches):
        x_batch = X_b[i*batch_size: i*batch_size + batch_size]
        y_batch = y[i*batch_size: i*batch_size + batch_size]
        gradients = x_batch.T.dot(x_batch.dot(theta)-y_batch)
        learning_rate = learning_rate_schedule(epoch * m + i)
        theta = theta - learning_rate*gradients
 
print(theta)

[[3.91630905]
 [2.95252566]]

三種梯度下降區(qū)別和優(yōu)缺點

在講三種梯度下降區(qū)別之前，我們先來總結(jié)一下梯度下降法的步驟：

1. 瞎蒙，Random 隨機(jī)θ，隨機(jī)一組數(shù)值 W0…Wn

2. 求梯度，為什么是梯度？因為梯度代表曲線某點上的切線的斜率，沿著切線往下下降就相當(dāng)于沿著坡度最陡峭的方向下降

3. if g0, theta 往小調(diào)

4. 判斷是否收斂 convergence，如果收斂跳出迭代，如果沒有達(dá)到收斂，回第 2 步繼續(xù) 四步驟對應(yīng)計算方式：

a. np.random.rand()或者 np.random.randn()

b. i w j gradient = (h (x) - y)× x

c. Wi t+1 =Wi t -h ×gradient i

d. 判斷收斂這里使用 g=0 其實并不合理，因為當(dāng)損失函數(shù)是非凸函數(shù)的話 g=0 有可能是極大值對嗎！所以其實我們判斷 loss 的下降收益更合理，當(dāng)隨著迭代 loss 減小的幅度即收益不再變化就可以認(rèn)為停止在最低點，收斂！

區(qū)別：其實三種梯度下降的區(qū)別僅在于第 2 步求梯度所用到的 X 數(shù)據(jù)集的樣本數(shù)量不同！它們每次學(xué)習(xí)(更新模型參數(shù))使用的樣本個數(shù)，每次更新使用不同的樣本會導(dǎo)致每次學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確性和學(xué)習(xí)時間不同