读书笔记:梯度法求函数的最小值 gradient_method.py ← 斋藤康毅

news2024/11/13 9:32:28

● 由多元函数全部变量的偏导数汇总而成的向量称为梯度(gradient)。梯度指示的方向是各点处的函数值减小最多的方向。
虽然梯度的方向并不一定指向最小值,但沿着它的方向能够最大限度地减小函数的值。因此,在寻找函数的最小值(或者尽可能小的值)的位置的任务中,要以梯度的信息为线索,决定前进的方向。
● 此时梯度法就派上用场了。在梯度法中,函数的取值从当前位置沿着梯度方向前进一定距离,然后在新的地方重新求梯度,再沿着新梯度方向前进,如此反复,不断地沿梯度方向前进。像这样,通过不断地沿梯度方向前进,逐渐减小函数值的过程就是
梯度法(gradient method)。梯度法是解决机器学习中最优化问题的常用方法,特别是在神经网络的学习中经常被使用。

下文给出了利用梯度法求函数 f(x_0,x_1)=x_0^2+x_1^2 的最小值的 Python 代码。


【梯度法求函数最小值的Python代码】

import numpy as np
import matplotlib.pylab as plt

def numerical_gradient_no_batch(f,x):
    h=1e-4
    grad=np.zeros_like(x)
    
    for idx in range(x.size):
        tmp_val=x[idx]
        x[idx]=float(tmp_val)+h
        fxh1=f(x)
        
        x[idx]=tmp_val-h 
        fxh2=f(x)
        grad[idx]=(fxh1-fxh2)/(2*h)
        
        x[idx]=tmp_val
        
    return grad

def numerical_gradient(f,X):
    if X.ndim==1:
        return numerical_gradient_no_batch(f,X)
    else:
        grad=np.zeros_like(X)
        
        for idx,x in enumerate(X):
            grad[idx]=numerical_gradient_no_batch(f,x)
        
        return grad

def gradient_descent(f,init_x,lr=0.01,step_num=100):
    x=init_x
    x_history=[]

    for i in range(step_num):
        x_history.append( x.copy() )

        grad=numerical_gradient(f,x)
        x-=lr*grad

    return x,np.array(x_history)


def function_2(x):
    return x[0]**2+x[1]**2

init_x=np.array([-3.0,4.0])    

lr=0.1
step_num=20
x,x_history=gradient_descent(function_2,init_x,lr=lr,step_num=step_num)

plt.plot( [-5,5],[0,0],'--b')
plt.plot( [0,0],[-5,5],'--b')
plt.plot(x_history[:,0],x_history[:,1],'o')

plt.xlim(-3.5,3.5)
plt.ylim(-4.5,4.5)
plt.xlabel("X0")
plt.ylabel("X1")
plt.show()

【程序运行结果】
运行上面代码后,可输出如下图像。

 若输入命令:

gradient_descent(function_2,init_x=init_x,lr=0.1,step_num=100)

可得如下输出结果:

(array([-7.04562775e-12,  9.39417033e-12]),
 array([[-3.45876451e-02,  4.61168602e-02],
        [-2.76701161e-02,  3.68934881e-02],
        [-2.21360929e-02,  2.95147905e-02],
        [-1.77088743e-02,  2.36118324e-02],
        [-1.41670994e-02,  1.88894659e-02],
        [-1.13336796e-02,  1.51115727e-02],
        [-9.06694365e-03,  1.20892582e-02],
        [-7.25355492e-03,  9.67140656e-03],
        [-5.80284393e-03,  7.73712525e-03],
        [-4.64227515e-03,  6.18970020e-03],
        [-3.71382012e-03,  4.95176016e-03],
        [-2.97105609e-03,  3.96140813e-03],
        [-2.37684488e-03,  3.16912650e-03],
        [-1.90147590e-03,  2.53530120e-03],
        [-1.52118072e-03,  2.02824096e-03],
        [-1.21694458e-03,  1.62259277e-03],
        [-9.73555661e-04,  1.29807421e-03],
        [-7.78844529e-04,  1.03845937e-03],
        [-6.23075623e-04,  8.30767497e-04],
        [-4.98460498e-04,  6.64613998e-04],
        [-3.98768399e-04,  5.31691198e-04],
        [-3.19014719e-04,  4.25352959e-04],
        [-2.55211775e-04,  3.40282367e-04],
        [-2.04169420e-04,  2.72225894e-04],
        [-1.63335536e-04,  2.17780715e-04],
        [-1.30668429e-04,  1.74224572e-04],
        [-1.04534743e-04,  1.39379657e-04],
        [-8.36277945e-05,  1.11503726e-04],
        [-6.69022356e-05,  8.92029808e-05],
        [-5.35217885e-05,  7.13623846e-05],
        [-4.28174308e-05,  5.70899077e-05],
        [-3.42539446e-05,  4.56719262e-05],
        [-2.74031557e-05,  3.65375409e-05],
        [-2.19225246e-05,  2.92300327e-05],
        [-1.75380196e-05,  2.33840262e-05],
        [-1.40304157e-05,  1.87072210e-05],
        [-1.12243326e-05,  1.49657768e-05],
        [-8.97946606e-06,  1.19726214e-05],
        [-7.18357285e-06,  9.57809713e-06],
        [-5.74685828e-06,  7.66247770e-06],
        [-4.59748662e-06,  6.12998216e-06],
        [-3.67798930e-06,  4.90398573e-06],
        [-2.94239144e-06,  3.92318858e-06],
        [-2.35391315e-06,  3.13855087e-06],
        [-1.88313052e-06,  2.51084069e-06],
        [-1.50650442e-06,  2.00867256e-06],
        [-1.20520353e-06,  1.60693804e-06],
        [-9.64162827e-07,  1.28555044e-06],
        [-7.71330261e-07,  1.02844035e-06],
        [-6.17064209e-07,  8.22752279e-07],
        [-4.93651367e-07,  6.58201823e-07],
        [-3.94921094e-07,  5.26561458e-07],
        [-3.15936875e-07,  4.21249167e-07],
        [-2.52749500e-07,  3.36999333e-07],
        [-2.02199600e-07,  2.69599467e-07],
        [-1.61759680e-07,  2.15679573e-07],
        [-1.29407744e-07,  1.72543659e-07],
        [-1.03526195e-07,  1.38034927e-07],
        [-8.28209562e-08,  1.10427942e-07],
        [-6.62567649e-08,  8.83423532e-08],
        [-5.30054119e-08,  7.06738826e-08],
        [-4.24043296e-08,  5.65391061e-08],
        [-3.39234636e-08,  4.52312849e-08],
        [-2.71387709e-08,  3.61850279e-08],
        [-2.17110167e-08,  2.89480223e-08],
        [-1.73688134e-08,  2.31584178e-08],
        [-1.38950507e-08,  1.85267343e-08],
        [-1.11160406e-08,  1.48213874e-08],
        [-8.89283245e-09,  1.18571099e-08],
        [-7.11426596e-09,  9.48568795e-09],
        [-5.69141277e-09,  7.58855036e-09],
        [-4.55313022e-09,  6.07084029e-09],
        [-3.64250417e-09,  4.85667223e-09],
        [-2.91400334e-09,  3.88533778e-09],
        [-2.33120267e-09,  3.10827023e-09],
        [-1.86496214e-09,  2.48661618e-09],
        [-1.49196971e-09,  1.98929295e-09],
        [-1.19357577e-09,  1.59143436e-09],
        [-9.54860614e-10,  1.27314749e-09],
        [-7.63888491e-10,  1.01851799e-09],
        [-6.11110793e-10,  8.14814391e-10],
        [-4.88888634e-10,  6.51851512e-10],
        [-3.91110907e-10,  5.21481210e-10],
        [-3.12888726e-10,  4.17184968e-10],
        [-2.50310981e-10,  3.33747974e-10],
        [-2.00248785e-10,  2.66998379e-10],
        [-1.60199028e-10,  2.13598704e-10],
        [-1.28159222e-10,  1.70878963e-10],
        [-1.02527378e-10,  1.36703170e-10],
        [-8.20219022e-11,  1.09362536e-10],
        [-6.56175217e-11,  8.74900290e-11],
        [-5.24940174e-11,  6.99920232e-11],
        [-4.19952139e-11,  5.59936186e-11],
        [-3.35961711e-11,  4.47948948e-11],
        [-2.68769369e-11,  3.58359159e-11],
        [-2.15015495e-11,  2.86687327e-11],
        [-1.72012396e-11,  2.29349862e-11],
        [-1.37609917e-11,  1.83479889e-11],
        [-1.10087934e-11,  1.46783911e-11],
        [-8.80703469e-12,  1.17427129e-11]]))




【参考文献】
https://www.cnblogs.com/thisyan/p/9715593.html

 

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