机器学习笔记（二）——梯度下降
作者：互联网
梯度下降是一个用来求函数最小值的算法，我们将使用梯度下降算法来求出代价函数\(J(θ_0,θ_1)\)的最小值。
梯度下降背后的思想是：开始时我们随机选择一个参数的组合\((θ_0,θ_1,......,θ_n )\)，计算代价函数，然后我们寻找下一个能让代价函数值下降最多的参数组合。
我们持续这么做直到到到一个局部最小值（local minimum），因为我们并没有尝试完所有的参数组合，所以不能确定我们得到的局部最小值是否便是全局最小值（global minimum）
，选择不同的初始参数组合，可能会找到不同的局部最小值。
想象一下你正站立在山的这一点上，站立在你想象的公园这座红色山上，在梯度下降算法中，我们要做的就是旋转360度，看看我们的周围，并问自己要在某个方向上，
用小碎步尽快下山。这些小碎步需要朝什么方向？如果我们站在山坡上的这一点，你看一下周围，你会发现最佳的下山方向，你再看看周围，然后再一次想想，我应该
从什么方向迈着小碎步下山？然后你按照自己的判断又迈出一步，重复上面的步骤，从这个新的点，你环顾四周，并决定从什么方向将会最快下山，然后又迈进了一小
步，并依此类推，直到你接近局部最低点的位置。
批量梯度下降（batch gradient descent）算法的公式为：
其中\(\alpha\)是学习率（learning rate），它决定了我们沿着能让代价函数下降程度最大的方向向下迈出的步子有多大，在批量梯度下降中，我们每一次都同时让所
有的参数减去学习速率乘以代价函数的导数。
在梯度下降算法中，还有一个更微妙的问题，梯度下降中，我们要更新\(θ_0\)和\(θ_1\)，当 j=0 和j=1时，会产生更新，所以你将更新\(J(θ_0)\)和\(J(θ_1)\)。实现梯度
下降算法的微妙之处是，在这个表达式中，如果你要更新这个等式，你需要同时更新\(θ_0\)和\(θ_1\)，我的意思是在这个等式中，我们要这样更新：
实现方法是：你应该计算公式右边的部分，通过那一部分计算出\(θ_0\)和\(θ_1\)的值，然后同时更新\(θ_0\)和\(θ_1\)。
让我进一步阐述这个过程：
在梯度下降算法中，这是正确实现同时更新的方法。我不打算解释为什么你需要同时更新，同时更新是梯度下降中的一种常用方法。我们之后会讲到，同步更新是更自然
的实现方法。当人们谈到梯度下降时，他们的意思就是同步更新。
在接下来的视频中，我们要进入这个微分项的细节之中。我已经写了出来但没有真正定义，如果你已经修过微积分课程，如果你熟悉偏导数和导数，这其实就是这个微分项：
梯度下降算法如下：
\[\theta_j:=\theta_j-\alpha\frac{\partial}{\partial \theta_j}J(\theta) \]描述：对θ赋值，使得J(θ)按梯度下降最快方向进行，一直迭代下去，最终得到局部最小值。其中\(\alpha\)是学习率（learning rate），它决定了我们沿着能让代价函数下降程度最大的方向向下迈出的步子有多大。
对于这个问题，求导的目的，基本上可以说取这个红点的切线，就是这样一条红色的直线，刚好与函数相切于这一点，让我们看看这条红色直线的斜率，就是这条刚好与函数曲线相切的这条直线，这条直线的斜率正好是这个三角形的高度除以这个水平长度，现在，这条线有一个正斜率，也就是说它有正导数，因此，我得到的新的\(θ_1\)，\(θ_1\)更新后等于\(θ_1\)减去一个正数乘以\(\alpha\)。
这就是我梯度下降法的更新规则：\(\theta_j:=\theta_j-\alpha\frac{\partial}{\partial \theta_j}J(\theta)\)
让我们来看看如果\(\alpha\)太小或\(\alpha\)太大会出现什么情况：
如果\(\alpha\)太小了，即我的学习速率太小，结果就是只能这样像小宝宝一样一点点地挪动，去努力接近最低点，这样就需要很多步才能到达最低点，所以如果\(\alpha\)太小的话，可能会很慢，因为它会一点点挪动，它会需要很多步才能到达全局最低点。
如果\(\alpha\)太大，那么梯度下降法可能会越过最低点，甚至可能无法收敛，下一次迭代又移动了一大步，越过一次，又越过一次，一次次越过最低点，直到你发现实际上离最低点越来越远，所以，如果\(\alpha\)太大，它会导致无法收敛，甚至发散。
现在，我还有一个问题，当我第一次学习这个地方时，我花了很长一段时间才理解这个问题，如果我们预先把\(θ_1\)放在一个局部的最低点，你认为下一步梯度下降法会怎样工作？
假设你将\(θ_1\)初始化在局部最低点，在这儿，它已经在一个局部的最优处或局部最低点。结果是局部最优点的导数将等于零，因为它是那条切线的斜率。这意味着你已经在局部最优点，它使得\(θ_1\)不再改变，也就是新的\(θ_1\)等于原来的\(θ_1\)，因此，如果你的参数已经处于局部最低点，那么梯度下降法更新其实什么都没做，它不会改变参数的值。这也解释了为什么即使学习速率\(\alpha\)保持不变时，梯度下降也可以收敛到局部最低点。
我们来看一个例子，这是代价函数\(J(\theta)\)。
我想找到它的最小值，首先初始化我的梯度下降算法，在那个品红色的点初始化，如果我更新一步梯度下降，也许它会带我到这个点，因为这个点的导数是相当陡的。现在，在这个绿色的点，如果我再更新一步，你会发现我的导数，也即斜率，是没那么陡的。随着我接近最低点，我的导数越来越接近零，所以，梯度下降一步后，新的导数会变小一点点。然后我想再梯度下降一步，在这个绿点，我自然会用一个稍微跟刚才在那个品红点时比，再小一点的一步，到了新的红色点，更接近全局最低点了，因此这点的导数会比在绿点时更小。所以，我再进行一步梯度下降时，我的导数项是更小的，\(θ_1\)更新的幅度就会更小。所以随着梯度下降法的运行，你移动的幅度会自动变得越来越小，直到最终移动幅度非常小，你会发现，已经收敛到局部极小值。
回顾一下，在梯度下降法中，当我们接近局部最低点时，梯度下降法会自动采取更小的幅度，这是因为当我们接近局部最低点时，很显然在局部最低时导数等于零，所以当我们接近局部最低时，导数值会自动变得越来越小，所以梯度下降将自动采取较小的幅度，这就是梯度下降的做法。所以实际上没有必要再另外减小\(\alpha\)。
这就是梯度下降算法，你可以用它来最小化任何代价函数J，不只是线性回归中的代价函数J。
标签：机器,梯度,局部,下降,最低点,笔记,theta,alpha 来源： https://www.cnblogs.com/thinker-Leon/p/15256425.html