編輯：祝鑫泉

一

概述

梯度下降算法（Gradient Descent Optimization）是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練最常用的優(yōu)化算法。對(duì)于深度學(xué)習(xí)模型，基本都是采用梯度下降算法來進(jìn)行優(yōu)化訓(xùn)練的。梯度下降算法背后的原理：目標(biāo)函數(shù)

關(guān)于參數(shù)

的梯度將是目標(biāo)函數(shù)上升最快的方向。對(duì)于最小化優(yōu)化問題，只需要將參數(shù)沿著梯度相反的方向前進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的下降。這個(gè)步長(zhǎng)又稱為學(xué)習(xí)速率

。參數(shù)更新公式如下：

其中

是參數(shù)的梯度，根據(jù)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)

采用數(shù)據(jù)量的不同，梯度下降算法又可以分為批量梯度下降算法（Batch Gradient Descent），隨機(jī)梯度下降算法（Stochastic GradientDescent）和小批量梯度下降算法（Mini-batch Gradient Descent）。對(duì)于批量梯度下降算法，其

是在整個(gè)訓(xùn)練集上計(jì)算的，如果數(shù)據(jù)集比較大，可能會(huì)面臨內(nèi)存不足問題，而且其收斂速度一般比較慢。隨機(jī)梯度下降算法是另外一個(gè)極端，

是針對(duì)訓(xùn)練集中的一個(gè)訓(xùn)練樣本計(jì)算的，又稱為在線學(xué)習(xí)，即得到了一個(gè)樣本，就可以執(zhí)行一次參數(shù)更新。所以其收斂速度會(huì)快一些，但是有可能出現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)值震蕩現(xiàn)象，因?yàn)楦哳l率的參數(shù)更新導(dǎo)致了高方差。小批量梯度下降算法是折中方案，選取訓(xùn)練集中一個(gè)小批量樣本計(jì)算

，這樣可以保證訓(xùn)練過程更穩(wěn)定，而且采用批量訓(xùn)練方法也可以利用矩陣計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。這是目前最常用的梯度下降算法。

對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，借助于BP算法可以高效地計(jì)算梯度，從而實(shí)施梯度下降算法。但梯度下降算法一個(gè)老大難的問題是：不能保證全局收斂。如果這個(gè)問題解決了，深度學(xué)習(xí)的世界會(huì)和諧很多。梯度下降算法針對(duì)凸優(yōu)化問題原則上是可以收斂到全局最優(yōu)的，因?yàn)榇藭r(shí)只有唯一的局部最優(yōu)點(diǎn)。而實(shí)際上深度學(xué)習(xí)模型是一個(gè)復(fù)雜的非線性結(jié)構(gòu)，一般屬于非凸問題，這意味著存在很多局部最優(yōu)點(diǎn)（鞍點(diǎn)），采用梯度下降算法可能會(huì)陷入局部最優(yōu)，這應(yīng)該是最頭疼的問題。這點(diǎn)和進(jìn)化算法如遺傳算法很類似，都無法保證收斂到全局最優(yōu)。因此，我們注定在這個(gè)問題上成為“高級(jí)調(diào)參師”。可以看到，梯度下降算法中一個(gè)重要的參數(shù)是學(xué)習(xí)速率，適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)速率很重要：學(xué)習(xí)速率過小時(shí)收斂速度慢，而過大時(shí)導(dǎo)致訓(xùn)練震蕩，而且可能會(huì)發(fā)散。理想的梯度下降算法要滿足兩點(diǎn)：收斂速度要快；能全局收斂。為了這個(gè)理想，出現(xiàn)了很多經(jīng)典梯度下降算法的變種，下面將分別介紹它們。

01

Momentum optimization

沖量梯度下降算法是BorisPolyak在1964年提出的，其基于這樣一個(gè)物理事實(shí)：將一個(gè)小球從山頂滾下，其初始速率很慢，但在加速度作用下速率很快增加，并最終由于阻力的存在達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定速率。對(duì)于沖量梯度下降算法，其更新方程如下：

可以看到，參數(shù)更新時(shí)不僅考慮當(dāng)前梯度值，而且加上了一個(gè)積累項(xiàng)（沖量），但多了一個(gè)超參

，一般取接近1的值如0.9。相比原始梯度下降算法，沖量梯度下降算法有助于加速收斂。當(dāng)梯度與沖量方向一致時(shí)，沖量項(xiàng)會(huì)增加，而相反時(shí)，沖量項(xiàng)減少，因此沖量梯度下降算法可以減少訓(xùn)練的震蕩過程。TensorFlow中提供了這一優(yōu)化器：tf.train.MomentumOptimizer(learning_rate=learning_rate,momentum=0.9)。

02 

NAG

NAG算法全稱Nesterov Accelerated Gradient,是YuriiNesterov在1983年提出的對(duì)沖量梯度下降算法的改進(jìn)版本，其速度更快。其變化之處在于計(jì)算“超前梯度”更新沖量項(xiàng)，具體公式如下：

既然參數(shù)要沿著

更新，不妨計(jì)算未來位置

的梯度，然后合并兩項(xiàng)作為最終的更新項(xiàng)，其具體效果如圖1所示，可以看到一定的加速效果。在TensorFlow中，NAG優(yōu)化器為：tf.train.MomentumOptimizer(learning_rate=learning_rate,momentum=0.9, use_nesterov=True)

圖1 NAG效果圖

03

AdaGrad

AdaGrad是Duchi在2011年提出的一種學(xué)習(xí)速率自適應(yīng)的梯度下降算法。在訓(xùn)練迭代過程，其學(xué)習(xí)速率是逐漸衰減的，經(jīng)常更新的參數(shù)其學(xué)習(xí)速率衰減更快，這是一種自適應(yīng)算法。其更新過程如下：

其中是梯度平方的積累量，在進(jìn)行參數(shù)更新時(shí)，學(xué)習(xí)速率要除以這個(gè)積累量的平方根，其中加上一個(gè)很小值是為了防止除0的出現(xiàn)。由于是該項(xiàng)逐漸增加的，那么學(xué)習(xí)速率是衰減的。考慮如圖2所示的情況，目標(biāo)函數(shù)在兩個(gè)方向的坡度不一樣，如果是原始的梯度下降算法，在接近坡底時(shí)收斂速度比較慢。而當(dāng)采用AdaGrad，這種情況可以被改觀。由于比較陡的方向梯度比較大，其學(xué)習(xí)速率將衰減得更快，這有利于參數(shù)沿著更接近坡底的方向移動(dòng)，從而加速收斂。

圖2 AdaGrad效果圖

前面說到AdaGrad其學(xué)習(xí)速率實(shí)際上是不斷衰減的，這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)很大的問題，就是訓(xùn)練后期學(xué)習(xí)速率很小，導(dǎo)致訓(xùn)練過早停止，因此在實(shí)際中AdaGrad一般不會(huì)被采用，下面的算法將改進(jìn)這一致命缺陷。不過TensorFlow也提供了這一優(yōu)化器：tf.train.AdagradOptimizer。

04

RMSprop

RMSprop是Hinton在他的課程上講到的，其算是對(duì)Adagrad算法的改進(jìn)，主要是解決學(xué)習(xí)速率過快衰減的問題。其實(shí)思路很簡(jiǎn)單，類似Momentum思想，引入一個(gè)超參數(shù)，在積累梯度平方項(xiàng)進(jìn)行衰減：

可以認(rèn)為僅僅對(duì)距離時(shí)間較近的梯度進(jìn)行積累，其中一般取值0.9，其實(shí)這樣就是一個(gè)指數(shù)衰減的均值項(xiàng)，減少了出現(xiàn)的爆炸情況，因此有助于避免學(xué)習(xí)速率很快下降的問題。同時(shí)Hinton也建議學(xué)習(xí)速率設(shè)置為0.001。RMSprop是屬于一種比較好的優(yōu)化算法了，在TensorFlow中當(dāng)然有其身影：tf.train.RMSPropOptimizer(learning_rate=learning_rate,momentum=0.9, decay=0.9, epsilon=1e-10)。

不得不說點(diǎn)題外話，同時(shí)期還有一個(gè)Adadelta算法，其也是Adagrad算法的改進(jìn)，而且改進(jìn)思路和RMSprop很像，但是其背后是基于一次梯度近似代替二次梯度的思想，感興趣的可以看看相應(yīng)的論文，這里不再贅述。

05

Adam

Adam全稱Adaptive moment estimation，是Kingma等在2015年提出的一種新的優(yōu)化算法，其結(jié)合了Momentum和RMSprop算法的思想。相比Momentum算法，其學(xué)習(xí)速率是自適應(yīng)的，而相比RMSprop，其增加了沖量項(xiàng)。所以，Adam是兩者的結(jié)合體：

可以看到前兩項(xiàng)和Momentum和RMSprop是非常一致的，由于和的初始值一般設(shè)置為0，在訓(xùn)練初期其可能較小，第三和第四項(xiàng)主要是為了放大它們。最后一項(xiàng)是參數(shù)更新。其中超參數(shù)的建議值是

。Adm是性能非常好的算法，在TensorFlow其實(shí)現(xiàn)如下： tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.001,beta1=0.9, beta2=0.999, epsilon=1e-08)。

二

學(xué)習(xí)速率

前面也說過學(xué)習(xí)速率的問題，對(duì)于梯度下降算法，這應(yīng)該是一個(gè)最重要的超參數(shù)。如果學(xué)習(xí)速率設(shè)置得非常大，那么訓(xùn)練可能不會(huì)收斂，就直接發(fā)散了；如果設(shè)置的比較小，雖然可以收斂，但是訓(xùn)練時(shí)間可能無法接受；如果設(shè)置的稍微高一些，訓(xùn)練速度會(huì)很快，但是當(dāng)接近最優(yōu)點(diǎn)會(huì)發(fā)生震蕩，甚至無法穩(wěn)定。不同學(xué)習(xí)速率的選擇影響可能非常大，如圖3所示。

圖3 不同學(xué)習(xí)速率的訓(xùn)練效果

理想的學(xué)習(xí)速率是：剛開始設(shè)置較大，有很快的收斂速度，然后慢慢衰減，保證穩(wěn)定到達(dá)最優(yōu)點(diǎn)。所以，前面的很多算法都是學(xué)習(xí)速率自適應(yīng)的。除此之外，還可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)自適應(yīng)過程，如實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)速率指數(shù)式衰減：

在TensorFlow中，你可以這樣實(shí)現(xiàn)：

initial_learning_rate = 0.1
decay_steps = 10000
decay_rate = 1/10
global_step = tf.Variable(0, trainable=False)
learning_rate = tf.train.exponential_decay(initial_learning_rate,                          
                           global_step, decay_steps, decay_rate)
# decayed_learning_rate = learning_rate *
#                decay_rate ^ (global_step / decay_steps)
optimizer = tf.train.MomentumOptimizer(learning_rate, momentum=0.9)
training_op = optimizer.minimize(loss, global_step=global_step)

三

總結(jié)

本文簡(jiǎn)單介紹了梯度下降算法的分類以及常用的改進(jìn)算法，總結(jié)來看，優(yōu)先選擇學(xué)習(xí)速率自適應(yīng)的算法如RMSprop和Adam算法，大部分情況下其效果是較好的。還有一定要特別注意學(xué)習(xí)速率的問題。其實(shí)還有很多方面會(huì)影響梯度下降算法，如梯度的消失與爆炸，這也是要額外注意的。最后不得不說，梯度下降算法目前無法保證全局收斂還將是一個(gè)持續(xù)性的數(shù)學(xué)難題。

四

參考文獻(xiàn)

Anoverview of gradient descent optimization algorithms: .

Hands-OnMachine Learning with Scikit-Learn and TensorFlow, Aurélien Géron, 2017.

NAG:.

Adagrad:.

RMSprop:~tijmen/csc321/slides/lecture_slides_lec6.pdf.

Adadelta:https://arxiv.org/pdf/1212.5701v1.pdf.

Adam:https://arxiv.org/pdf/1412.6980.pdf.

不同的算法的效果可視化：https://imgur.com/a/Hqolp.

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