梯度下降法(SGD)原理解析及其改进优化算法

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~ 梯度下降法,简称SGD,是一种寻找最小化目标函数的优化算法。其核心思想是沿着函数的梯度方向逐步调整参数,直到找到局部或全局最优解。每次迭代中,我们从当前位置出发,沿着当前梯度的负方向移动,直至达到一定程度的收敛或达到预设的停止条件。以最小二乘误差(MSE)为例,目标是找到一组参数使误差最小化。

SGD的基本步骤包括:首先,计算目标函数对参数的梯度;然后,根据梯度调整参数值,通常采用学习率来控制步长;当梯度的模(表示变化率)小于预设阈值时,停止迭代。在泰勒级数展开的基础上,SGD是对损失函数进行一阶近似并求解最小值,以此迭代更新参数。

在工程实践中,SGD存在噪声问题,因为它可能在局部最优处徘徊。批度下降法(BGD)与小批量随机梯度下降(SGD)的差异在于处理数据的方式,BGD处理整个训练集,而SGD每次只处理一部分。选择合适的batch_size(如mini-batch)可以提高效率,减小噪声,使得模型收敛更快。

为了进一步优化SGD,出现了如Momentum(考虑过去梯度动量)、Adagrad(自适应学习率)、RMSProp(平滑梯度平方和)、Adadelta(动态调整学习率)和Adam(结合动量和RMSProp的优点)等改进算法。这些方法通过不同的机制,如动量调整、自适应学习率计算等,有效提升SGD的性能和稳定性。


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