深度学习：梯度下降法

news2024/12/27 3:11:41

损失函数 L：衡量单一训练样例的效果。

成本函数 J：用于衡量 w 和 b 的效果。

如何使用梯度下降法来训练或学习训练集上的参数w和b ？

成本函数J是参数w和b的函数，它被定义为平均值；

损失函数L可以衡量你的算法效果，每一个训练样例都输出 $y\widehat{}^{(i)}$ ，把它跟真实标签 $y^{(i)}$ 进行比较。

梯度下降法：从初始点开始，朝最陡的下坡方向走一步，在梯度下降一步后，或许在那里停下，或者尽可能快的向下走，这是梯度下降的一次迭代。然后继续，希望收敛到全局最优解。

Gradient Descent 梯度下降法，重复执行以下的更新操作：

更新w的值（使用 := 表示更新w）。
Learning Rate 学习率 $\alpha$ 可以控制每一次迭代，或者梯度下降法中的步长。
这里的导数 dJ(w)/dw 就是对参数w的更新或变化量。
我们写代码来实现梯度下降时，会使用变量名dw表示导数，即上图中的式子写为:
w := w - $\alpha$ dw
新的w的值等于 w自身减去学习率和导数的乘积

导数是函数在对应点的斜率，函数的斜率是高除以宽。如果J函数最开始在右边的点，那么它的斜率是正数，更新的w的值w := w - $\alpha$ dw会变小，即上图中的点会往左移；反之，如果一开始点在左上方，即斜率为负数，那么更新的w的值会变大，也就是会逐渐往右移。不论起始点在左边还是右边，最终都会到中间底部那个点。

在深度学习里，有循环会降低算法的运行效率。实现梯度下降的迭代，不使用任何循环，而是向量化(Vectorization)。使用内置函数，避免使用显式for循环，可以让程序运行速度快很多。

import numpy as np

import time

a = np.random.rand(1000000)
b = np.random.rand(1000000)

tic = time.time()
c = np.dot(a,b)
toc = time.time()

print(c)
print("Vectorization version: " + str(1000*(toc-tic)) + "ms")

c = 0
tic = time.time()
for i in range(1000000):
    c += a[i]*b[i]
toc = time.time()

print(c)
print("For loop:" + str(1000*(toc-tic)) + "ms")

运行结果：

由上述代码运行结果可知，使用内置函数比显式使用for循环快了200倍，所以我们尽量不要使用显示for循环。