梯度(Gradient)和 雅各比矩阵(Jacobian Matrix)的区别和联系:中英双语

news2024/12/22 2:29:51

雅各比矩阵与梯度:区别与联系

在数学与机器学习中,梯度(Gradient)雅各比矩阵(Jacobian Matrix) 是两个核心概念。虽然它们都描述了函数的变化率,但应用场景和具体形式有所不同。本文将通过深入解析它们的定义、区别与联系,并结合实际数值模拟,帮助读者全面理解两者,尤其是雅各比矩阵在深度学习与大模型领域的作用。


1. 梯度与雅各比矩阵的定义

1.1 梯度(Gradient)

梯度是标量函数(输出是一个标量)的变化率的向量化表示。

设函数 ( f : R n → R f: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R} f:RnR ),其梯度是一个 ( n n n )-维向量:
∇ f ( x ) = [ ∂ f ∂ x 1 ∂ f ∂ x 2 ⋮ ∂ f ∂ x n ] , \nabla f(x) = \begin{bmatrix} \frac{\partial f}{\partial x_1} \\ \frac{\partial f}{\partial x_2} \\ \vdots \\ \frac{\partial f}{\partial x_n} \end{bmatrix}, f(x)= x1fx2fxnf ,
表示在每个方向上 ( f f f ) 的变化率。

1.2 雅各比矩阵(Jacobian Matrix)

雅各比矩阵描述了向量函数(输出是一个向量)在输入点的变化率。

设函数 ( f : R n → R m \mathbf{f}: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}^m f:RnRm ),即输入是 ( n n n )-维向量,输出是 ( m m m )-维向量,其雅各比矩阵为一个 ( m × n m \times n m×n ) 的矩阵:
D f ( x ) = [ ∂ f 1 ∂ x 1 ∂ f 1 ∂ x 2 ⋯ ∂ f 1 ∂ x n ∂ f 2 ∂ x 1 ∂ f 2 ∂ x 2 ⋯ ∂ f 2 ∂ x n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ∂ f m ∂ x 1 ∂ f m ∂ x 2 ⋯ ∂ f m ∂ x n ] . Df(x) = \begin{bmatrix} \frac{\partial f_1}{\partial x_1} & \frac{\partial f_1}{\partial x_2} & \cdots & \frac{\partial f_1}{\partial x_n} \\ \frac{\partial f_2}{\partial x_1} & \frac{\partial f_2}{\partial x_2} & \cdots & \frac{\partial f_2}{\partial x_n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial f_m}{\partial x_1} & \frac{\partial f_m}{\partial x_2} & \cdots & \frac{\partial f_m}{\partial x_n} \end{bmatrix}. Df(x)= x1f1x1f2x1fmx2f1x2f2x2fmxnf1xnf2xnfm .

  • 每一行是某个标量函数 ( f i ( x ) f_i(x) fi(x) ) 的梯度;
  • 雅各比矩阵描述了函数在各输入维度上的整体变化。

2. 梯度与雅各比矩阵的区别与联系

方面梯度雅各比矩阵
适用范围标量函数 ( f : R n → R f: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R} f:RnR )向量函数 ( f : R n → R m f: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}^m f:RnRm )
形式一个 ( n n n )-维向量一个 ( m × n m \times n m×n ) 的矩阵
含义表示函数 ( f f f ) 在输入空间的变化率表示向量函数 ( f f f ) 的所有输出分量对所有输入变量的变化率
联系梯度是雅各比矩阵的特殊情况(当 ( m = 1 m = 1 m=1 ) 时,雅各比矩阵退化为梯度)梯度可以看作雅各比矩阵的行之一(当输出是标量时只有一行)

3. 数值模拟:梯度与雅各比矩阵

示例函数

假设有函数 ( f : R 2 → R 2 \mathbf{f}: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^2 f:R2R2 ),定义如下:
f ( x 1 , x 2 ) = [ x 1 2 + x 2 x 1 x 2 ] . \mathbf{f}(x_1, x_2) = \begin{bmatrix} x_1^2 + x_2 \\ x_1 x_2 \end{bmatrix}. f(x1,x2)=[x12+x2x1x2].

3.1 梯度计算(标量函数场景)

若我们关注第一个输出分量 ( f 1 ( x ) = x 1 2 + x 2 f_1(x) = x_1^2 + x_2 f1(x)=x12+x2 ),则其梯度为:
∇ f 1 ( x ) = [ ∂ f 1 ∂ x 1 ∂ f 1 ∂ x 2 ] = [ 2 x 1 1 ] . \nabla f_1(x) = \begin{bmatrix} \frac{\partial f_1}{\partial x_1} \\ \frac{\partial f_1}{\partial x_2} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2x_1 \\ 1 \end{bmatrix}. f1(x)=[x1f1x2f1]=[2x11].

3.2 雅各比矩阵计算(向量函数场景)

对整个函数 ( f \mathbf{f} f ),其雅各比矩阵为:
D f ( x ) = [ ∂ f 1 ∂ x 1 ∂ f 1 ∂ x 2 ∂ f 2 ∂ x 1 ∂ f 2 ∂ x 2 ] = [ 2 x 1 1 x 2 x 1 ] . Df(x) = \begin{bmatrix} \frac{\partial f_1}{\partial x_1} & \frac{\partial f_1}{\partial x_2} \\ \frac{\partial f_2}{\partial x_1} & \frac{\partial f_2}{\partial x_2} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2x_1 & 1 \\ x_2 & x_1 \end{bmatrix}. Df(x)=[x1f1x1f2x2f1x2f2]=[2x1x21x1].


3.3 Python 实现

以下代码演示了梯度和雅各比矩阵的数值计算:

import numpy as np

# 定义函数
def f(x):
    return np.array([x[0]**2 + x[1], x[0] * x[1]])

# 定义雅各比矩阵
def jacobian_f(x):
    return np.array([[2 * x[0], 1],
                     [x[1], x[0]]])

# 计算梯度和雅各比矩阵
x = np.array([1.0, 2.0])  # 输入点
gradient_f1 = np.array([2 * x[0], 1])  # f1 的梯度
jacobian = jacobian_f(x)  # 雅各比矩阵

print("Gradient of f1:", gradient_f1)
print("Jacobian matrix of f:", jacobian)

运行结果:

Gradient of f1: [2. 1.]
Jacobian matrix of f:
[[2. 1.]
 [2. 1.]]

4. 在机器学习和深度学习中的作用

4.1 梯度的作用

在深度学习中,梯度主要用于反向传播。当损失函数是标量时,其梯度指示了参数需要如何调整以最小化损失。例如:

  • 对于神经网络的参数 ( θ \theta θ ),损失函数 ( L ( θ ) L(\theta) L(θ) ) 的梯度 ( ∇ L ( θ ) \nabla L(\theta) L(θ) ) 用于优化器(如 SGD 或 Adam)更新参数。

4.2 雅各比矩阵的作用

  1. 多输出问题
    雅各比矩阵用于多任务学习和多输出模型(例如,Transformer 的输出是一个序列,维度为 ( m m m )),描述多个输出对输入的变化关系。

  2. 对抗样本生成
    在对抗攻击中,雅各比矩阵被用来计算输入的小扰动如何同时影响多个输出。

  3. 深度学习中的 Hessian-Free 方法
    雅各比矩阵是二阶优化方法(如 Newton 方法)中的重要组成部分,因为 Hessian 矩阵的计算通常依赖雅各比矩阵。

  4. 大模型推理与精调
    在大语言模型中,雅各比矩阵被用于研究模型对输入扰动的敏感性,或指导精调时的梯度裁剪与更新。


5. 总结

  • 梯度 是描述标量函数变化率的向量;
  • 雅各比矩阵 是描述向量函数所有输出对输入变化的矩阵;
  • 两者紧密相关:梯度是雅各比矩阵的特例。

在机器学习与深度学习中,梯度用于优化,雅各比矩阵在多任务学习、对抗训练和大模型分析中有广泛应用。通过数值模拟,我们可以直观理解它们的区别与联系,掌握它们在实际场景中的重要性。

英文版

Jacobian Matrix vs Gradient: Differences and Connections

In mathematics and machine learning, the gradient and the Jacobian matrix are essential concepts that describe the rate of change of functions. While they are closely related, they serve different purposes and are used in distinct scenarios. This blog will explore their definitions, differences, and connections through examples, particularly emphasizing the Jacobian matrix’s role in deep learning and large-scale models.


1. Definition of Gradient and Jacobian Matrix

1.1 Gradient

The gradient is a vector representation of the rate of change for a scalar-valued function.

For a scalar function ( f : R n → R f: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R} f:RnR ), the gradient is an ( n n n )-dimensional vector:
∇ f ( x ) = [ ∂ f ∂ x 1 ∂ f ∂ x 2 ⋮ ∂ f ∂ x n ] . \nabla f(x) = \begin{bmatrix} \frac{\partial f}{\partial x_1} \\ \frac{\partial f}{\partial x_2} \\ \vdots \\ \frac{\partial f}{\partial x_n} \end{bmatrix}. f(x)= x1fx2fxnf .
This represents the direction and magnitude of the steepest ascent of ( f f f ).

1.2 Jacobian Matrix

The Jacobian matrix describes the rate of change for a vector-valued function.

For a vector function ( f : R n → R m \mathbf{f}: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}^m f:RnRm ), where the input is ( n n n )-dimensional and the output is ( m m m )-dimensional, the Jacobian matrix is an ( m × n m \times n m×n ) matrix:
D f ( x ) = [ ∂ f 1 ∂ x 1 ∂ f 1 ∂ x 2 ⋯ ∂ f 1 ∂ x n ∂ f 2 ∂ x 1 ∂ f 2 ∂ x 2 ⋯ ∂ f 2 ∂ x n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ∂ f m ∂ x 1 ∂ f m ∂ x 2 ⋯ ∂ f m ∂ x n ] . Df(x) = \begin{bmatrix} \frac{\partial f_1}{\partial x_1} & \frac{\partial f_1}{\partial x_2} & \cdots & \frac{\partial f_1}{\partial x_n} \\ \frac{\partial f_2}{\partial x_1} & \frac{\partial f_2}{\partial x_2} & \cdots & \frac{\partial f_2}{\partial x_n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial f_m}{\partial x_1} & \frac{\partial f_m}{\partial x_2} & \cdots & \frac{\partial f_m}{\partial x_n} \end{bmatrix}. Df(x)= x1f1x1f2x1fmx2f1x2f2x2fmxnf1xnf2xnfm .

  • Each row is the gradient of a scalar function ( f i ( x ) f_i(x) fi(x) );
  • The Jacobian matrix encapsulates all partial derivatives of ( f \mathbf{f} f ) with respect to its inputs.

2. Differences and Connections Between Gradient and Jacobian Matrix

AspectGradientJacobian Matrix
ScopeScalar function ( f : R n → R f: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R} f:RnR )Vector function ( f : R n → R m f: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}^m f:RnRm )
FormAn ( n n n )-dimensional vectorAn ( m × n m \times n m×n ) matrix
MeaningRepresents the rate of change of ( f f f ) in the input spaceRepresents the rate of change of all outputs w.r.t. all inputs
ConnectionThe gradient is a special case of the Jacobian (when ( m = 1 m = 1 m=1 ))Each row of the Jacobian matrix is a gradient of ( f i ( x ) f_i(x) fi(x) )

3. Numerical Simulation: Gradient and Jacobian Matrix

Example Function

Consider the function ( f : R 2 → R 2 \mathbf{f}: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^2 f:R2R2 ) defined as:
f ( x 1 , x 2 ) = [ x 1 2 + x 2 x 1 x 2 ] . \mathbf{f}(x_1, x_2) = \begin{bmatrix} x_1^2 + x_2 \\ x_1 x_2 \end{bmatrix}. f(x1,x2)=[x12+x2x1x2].

3.1 Gradient Computation (Scalar Function Case)

If we focus on the first output component ( f 1 ( x ) = x 1 2 + x 2 f_1(x) = x_1^2 + x_2 f1(x)=x12+x2 ), the gradient is:
∇ f 1 ( x ) = [ ∂ f 1 ∂ x 1 ∂ f 1 ∂ x 2 ] = [ 2 x 1 1 ] . \nabla f_1(x) = \begin{bmatrix} \frac{\partial f_1}{\partial x_1} \\ \frac{\partial f_1}{\partial x_2} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2x_1 \\ 1 \end{bmatrix}. f1(x)=[x1f1x2f1]=[2x11].

3.2 Jacobian Matrix Computation (Vector Function Case)

For the full vector function ( f \mathbf{f} f ), the Jacobian matrix is:
D f ( x ) = [ ∂ f 1 ∂ x 1 ∂ f 1 ∂ x 2 ∂ f 2 ∂ x 1 ∂ f 2 ∂ x 2 ] = [ 2 x 1 1 x 2 x 1 ] . Df(x) = \begin{bmatrix} \frac{\partial f_1}{\partial x_1} & \frac{\partial f_1}{\partial x_2} \\ \frac{\partial f_2}{\partial x_1} & \frac{\partial f_2}{\partial x_2} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2x_1 & 1 \\ x_2 & x_1 \end{bmatrix}. Df(x)=[x1f1x1f2x2f1x2f2]=[2x1x21x1].


3.3 Python Implementation

The following Python code demonstrates how to compute the gradient and Jacobian matrix numerically:

import numpy as np

# Define the function
def f(x):
    return np.array([x[0]**2 + x[1], x[0] * x[1]])

# Define the Jacobian matrix
def jacobian_f(x):
    return np.array([[2 * x[0], 1],
                     [x[1], x[0]]])

# Input point
x = np.array([1.0, 2.0])

# Compute the gradient of f1
gradient_f1 = np.array([2 * x[0], 1])  # Gradient of the first output component

# Compute the Jacobian matrix
jacobian = jacobian_f(x)

print("Gradient of f1:", gradient_f1)
print("Jacobian matrix of f:", jacobian)

Output:

Gradient of f1: [2. 1.]
Jacobian matrix of f:
[[2. 1.]
 [2. 1.]]

4. Applications in Machine Learning and Deep Learning

4.1 Gradient Applications

In deep learning, the gradient is critical for backpropagation. When the loss function is a scalar, its gradient indicates how to adjust the parameters to minimize the loss. For example:

  • For a neural network with parameters ( θ \theta θ ), the loss function ( L ( θ ) L(\theta) L(θ) ) has a gradient ( ∇ L ( θ ) \nabla L(\theta) L(θ) ), which is used by optimizers (e.g., SGD, Adam) to update the parameters.

4.2 Jacobian Matrix Applications

  1. Multi-Output Models
    The Jacobian matrix is essential for multi-task learning or models with multiple outputs (e.g., transformers where the output is a sequence). It describes how each input affects all outputs.

  2. Adversarial Examples
    In adversarial attacks, the Jacobian matrix helps compute how small perturbations in input affect multiple outputs simultaneously.

  3. Hessian-Free Methods
    In second-order optimization methods (e.g., Newton’s method), the Jacobian matrix is used to compute the Hessian matrix, which is crucial for convergence.

  4. Large Model Fine-Tuning
    For large language models, the Jacobian matrix is used to analyze how sensitive a model is to input perturbations, guiding techniques like gradient clipping or parameter-efficient fine-tuning (PEFT).


5. Summary

  • The gradient is a vector describing the rate of change of a scalar function, while the Jacobian matrix is a matrix describing the rate of change of a vector function.
  • The gradient is a special case of the Jacobian matrix (when there is only one output dimension).
  • In machine learning, gradients are essential for optimization, whereas Jacobian matrices are widely used in multi-output models, adversarial training, and fine-tuning large models.

Through numerical simulations and real-world applications, understanding the gradient and Jacobian matrix can significantly enhance your knowledge of optimization, deep learning, and large-scale model analysis.

后记

2024年12月19日15点30分于上海,在GPT4o大模型辅助下完成。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.coloradmin.cn/o/2263538.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

相关文章

C# opencvsharp 流程化-脚本化-(2)ROI

ROI ROI也是经常需要使用的方法。特别是在图像编辑中。ROI又称感兴趣的区域,但是图像是矩阵是矩形的,感兴趣的是乱八七糟的,所以还有一个Mask需要了解一下的。 public class RoiStep : IImageProcessingStep{public ImageProcessingStepType…

wazuh-modules-sca-scan

sca模块主函数wm_sca_main -> wm_sca_start 检查policy文件中的每一个项目wm_sca_check_policy static int wm_sca_check_policy(const cJSON * const policy, const cJSON * const checks, OSHash *global_check_list) {if(!policy) {return 1;}const cJSON * const id c…

uniapp 自定义图标03

插入工程,修改名称文件内容 编译运行

在Windows本地用网页查看编辑服务器上的 jupyter notebook

​ Motivation: jupyter notebook 可以存中间变量,方便我调整代码,但是怎么用服务器的GPU并在网页上查看编辑呢? 参考 https://zhuanlan.zhihu.com/p/440080687 服务端(Ubuntu): 激活环境 source activate my_env安装notebook …

【YOLO 项目实战】(11)YOLO8 数据集与模型训练

欢迎关注『youcans动手学模型』系列 本专栏内容和资源同步到 GitHub/youcans 【YOLO 项目实战】(1)YOLO5 环境配置与检测 【YOLO 项目实战】(10)YOLO8 环境配置与推理检测 【YOLO 项目实战】(11)YOLO8 数据…

Ubuntu22.04上安装esp-idf

一、安装准备# 建议使用Ubuntu 20.04 或 Ubuntu 22.04 操作系统 为了在 Ubuntu 22.04 中使用 esp-idf,需要安装一些依赖包 sudo apt-get install git wget flex bison gperf python3\python3-pip python3-venv cmake ninja-build ccache\libffi-dev libssl-dev dfu…

nginx-虚拟主机配置笔记

目录 nginx的安装可以查看nginx安装https://blog.csdn.net/m0_68472908/article/details/144609023?spm1001.2014.3001.5501 一、 基于域名 二、 基于IP 三、 基于端口 nginx的安装可以查看nginx安装https://blog.csdn.net/m0_68472908/article/details/144609023?spm100…

AlipayHK支付宝HK接入-商户收款(PHP)

一打开支付宝国际版 二、点开商户服务 三、下载源码

Soul Android端稳定性背后的那些事

前言:移动应用的稳定性对于用户体验和产品商业价值都有着至关重要的作用。应用崩溃会导致关键业务中断、用户留存率下降、品牌口碑变差、生命周期价值下降等影响,甚至会导致用户流失。因此,稳定性是APP质量构建体系中最基本和最关键的一环。当…

深度学习模型 DeepSeek-VL2 及其消费级显卡需求分析

DeepSeek-VL2 是由 DeepSeek 团队开发的一款先进的视觉语言模型,采用了混合专家(MoE)架构,旨在提升多模态理解能力。该模型包括三个版本:DeepSeek-VL2-Tiny、DeepSeek-VL2-Small 和 DeepSeek-VL2。每个版本具有不同的模…

首批|云轴科技ZStack成为开放智算产业联盟首批会员单位

近日 ,在Linux基金会AI & Data及中国开源软件推进联盟的指导之下,开放智算产业联盟成立大会在北京成功召开。在大会上,联盟首次公布了组织架构并颁发了首批会员单位证书。凭借ZStack AIOS平台智塔和在智算领域的技术创新,云轴…

word实现两栏格式公式居中,编号右对齐

1、确定分栏的宽度 选定一段文字 点击分栏:如本文的宽度为22.08字符 2、将公式设置为 两端对齐,首行无缩进。 将光标放在 公式前面 点击 格式-->段落-->制表位 在“制表位位置”输入-->11.04字符(22.08/211.04字符)&…

go语言zero框架中config读取不到.env文件问题排查与解决方案

在Go语言中,如果你使用.env文件来存储环境变量,通常会用到一些第三方库,例如github.com/joho/godotenv,它可以帮助我们从.env文件中读取环境变量。然而,在使用godotenv时,可能会遇到一些问题,导…

修改vscode设置的原理

转载请标明出处:小帆的帆的专栏 修改vscode设置 首先需要理解的是,vscode的系统设置和插件设置都是通过settings.json文件管理的。 vscode中有三个Settings,三个Settings分别对应三个settings.json文件 Default Settings:默认…

Qt之修改窗口标题、图标以及自定义标题栏(九)

Qt开发 系列文章 - titles-icons-titlebars(九) 目录 前言 一、修改标题 二、添加图标 三、更换标题栏 1.效果演示 2.创建标题栏类 3.定义相关函数 4.使用标题栏类 总结 前言 在我们利用Qt设计软件时,经常需要修改窗口标题、更改软…

环境变量的知识

目录 1. 环境变量的概念 2. 命令行参数 2.1 2.2 创建 code.c 文件 2.3 对比 ./code 执行和直接 code 执行 2.4 怎么可以不带 ./ 2.4.1 把我们的二进制文件拷贝到 usr/bin 路径下,也不用带 ./ 了 2.4.2 把我们自己的路径添加到环境变量里 3. 认识PATH 3.…

【时时三省】(C语言基础)通讯录1

山不在高,有仙则名。水不在深,有龙则灵。 ----CSDN 时时三省 通讯录 1 .通讯录中能够存放1000个人的信息 每个人的信息: 名字年龄性别电话地址 2、增加人的信息 3、删除指定人的信息 4、修改指定人的信息 5,查找指定人的信…

Vulhub:Redis[漏洞复现]

4-unacc(Redis未授权代码执行) 启动漏洞环境 docker-compose up -d 阅读vulhub给出的漏洞文档 cat README.zh-cn.md # Redis 4.x/5.x 主从复制导致的命令执行 Redis是著名的开源Key-Value数据库,其具备在沙箱中执行Lua脚本的能力。 Redis未授权访问在4.x/5.0.5以…

【PGCCC】Postgresql Varlena 结构

前言 postgresql 会有一些变长的数据类型,存储都是采用 varlena 格式的(除了 cstring 类型),通过语句 SELECT typname FROM pg_type WHERE typlen -1就可以看到所有采用 varlena 格式的数据类型,比如常见的 text &am…

Ubuntu搭建ES8集群+加密通讯+https访问

目录 写在前面 一、前期准备 1. 创建用户和用户组 2. 修改limits.conf文件 3. 关闭操作系统swap功能 4. 调整mmap上限 二、安装ES 1.下载ES 2.配置集群间安全访问证书密钥 3.配置elasticsearch.yml 4.修改jvm.options 5.启动ES服务 6.修改密码 7.启用外部ht…