AIML

news2024/10/2 16:17:07

三角数学符号为▼ 。英文为Nabla,中文读音为奈不拉,同时也可以读作“Del” 。这是场论中的符号,是矢量微分算符。 

一张图读懂导数与weifen

这是高数中的一张经典图,如果忘记了导数微分的概念,基本看着这张图就能全部想起来

反映的是函数y=f(x)在某一点处沿x轴正方向的变化率。再强调一遍,是函数f(x)在x轴上某一点处沿着x轴正方向的变化率/变化趋势。直观地看,也就是在x轴上某一点处,如果f’(x)>0,说明f(x)的函数值在x点沿x轴正方向是趋于增加的;如果f’(x)<0,说明f(x)的函数值在x点沿x轴正方向是趋于减少的。

 这里补充上图中的Δy、dy等符号的意义及关系如下:
 Δx:x的变化量;
 dx:x的变化量Δx趋于0时,则记作微元dx;
 Δy:Δy=f(x0+Δx)-f(x0),是函数的增量;
 dy:dy=f’(x0)dx,是切线的增量;
 当Δx→0时,dy与Δy都是无穷小,dy是Δy的主部,即Δy=dy+o(Δx).

导数和偏导数
 偏导数的定义如下:
  

 可以看到,导数与偏导数本质是一致的,都是当自变量的变化量趋于0时,函数值的变化量与自变量变化量比值的极限。直观地说,偏导数也就是函数在某一点上沿坐标轴正方向的的变化率。
 区别在于:
 导数,指的是一元函数中,函数y=f(x)在某一点处沿x轴正方向的变化率;
 偏导数,指的是多元函数中,函数y=f(x1,x2,…,xn)在某一点处沿某一坐标轴(x1,x2,…,xn)正方向的变化率。
 

导数和偏导数的区别

一、定义不同

导数,是对含有一个自变量的函数进行求导。

偏导数,是对含有两个自变量的函数中的一个自变量求导。

一元函数,一个y对应一个x,导数只有一个。二元函数,一个z对应一个x和一个y,那就有两个导数了,一个是z对x的导数,一个是z对y的导数,称之为偏导。

二、几何意义不同

函数y=f(x)在x0点的导数f'(x0)的几何意义:表示函数曲线在点P0(x0,f(x0))处的切线的斜率(导数的几何意义是该函数曲线在这一点上的切线斜率)。

偏导数 f'x(x0,y0) 表示固定面上一点对 x 轴的切线斜率;偏导数 f'y(x0,y0) 表示固定面上一点对 y 轴的切线斜率。

高阶偏导数:如果二元函数 z=f(x,y) 的偏导数 f'x(x,y) 与 f'y(x,y) 仍然可导,那么这两个偏导函数的偏导数称为 z=f(x,y) 的二阶偏导数。二元函数的二阶偏导数有四个:f"xx,f"xy,f"yx,f"yy。

梯度的提出只为回答一个问题:
 函数在变量空间的某一点处,沿着哪一个方向有最大的变化率?
 梯度定义如下:
 函数在某一点的梯度是这样一个向量,它的方向与取得最大方向导数的方向一致,而它的模为方向导数的最大值。
 这里注意三点:
 1)梯度是一个向量,即有方向有大小;
 2)梯度的方向是最大方向导数的方向;
 3)梯度的值是最大方向导数的值。
 

导数与向量
 提问:导数与偏导数与方向导数是向量么?
 向量的定义是有方向(direction)有大小(magnitude)的量。
 从前面的定义可以这样看出,偏导数和方向导数表达的是函数在某一点沿某一方向的变化率,也是具有方向和大小的。因此从这个角度来理解,我们也可以把偏导数和方向导数看作是一个向量,向量的方向就是变化率的方向,向量的模,就是变化率的大小。
 那么沿着这样一种思路,就可以如下理解梯度:
 梯度即函数在某一点最大的方向导数,函数沿梯度方向函数有最大的变化率。
 
 

梯度下降法
 既然在变量空间的某一点处,函数沿梯度方向具有最大的变化率,那么在优化目标函数的时候,自然是沿着负梯度方向去减小函数值,以此达到我们的优化目标。
 如何沿着负梯度方向减小函数值呢?既然梯度是偏导数的集合,如下:
  

 同时梯度和偏导数都是向量,那么参考向量运算法则,我们在每个变量轴上减小对应变量值即可,梯度下降法可以描述如下:
  

 以上就是梯度下降法的由来,大部分的机器学习任务,都可以利用Gradient Descent来进行优化。
--------------------- 

总结:

1.导数定义: 导数代表了在自变量变化趋于无穷小的时候,函数值的变化与自变量的变化的比值。几何意义是这个点的切线。物理意义是该时刻的(瞬时)变化率。

注意:在一元函数中,只有一个自变量变动,也就是说只存在一个方向的变化率,这也就是为什么一元函数没有偏导数的原因。
(derivative)

2.偏导数: 既然谈到偏导数,那就至少涉及到两个自变量。以两个自变量为例,z=f(x,y),从导数到偏导数,也就是从曲线来到了曲面。曲线上的一点,其切线只有一条。但是曲面上的一点,切线有无数条。而偏导数就是指多元函数沿着坐标轴的变化率。
注意:直观地说,偏导数也就是函数在某一点上沿坐标轴正方向的的变化率。
(partial derivative)

3.方向导数: 在某点沿着某个向量方向上的方向导数,描绘了该点附近沿着该向量方向变动时的瞬时变化率。这个向量方向可以是任一方向。

方向导数的物理意义表示函数在某点沿着某一特定方向上的变化率。
注意:导数、偏导数和方向导数表达的是函数在某一点沿某一方向的变化率,也是具有方向和大小的。
(directional derivative)

4.梯度: 函数在给定点处沿不同的方向,其方向导数一般是不相同的。那么沿着哪一个方向其方向导数最大,其最大值为多少,这是我们所关心的,为此引进一个很重要的概念: 梯度。

5.梯度下降
在机器学习中往往是最小化一个目标函数 L(Θ),理解了上面的内容,便很容易理解在梯度下降法中常见的参数更新公式:

Θ = Θ − γ ∂ L ∂ Θ
通过算出目标函数的梯度(算出对于所有参数的偏导数)并在其反方向更新完参数 Θ ,在此过程完成后也便是达到了函数值减少最快的效果,那么在经过迭代以后目标函数即可很快地到达一个极小值。

6.In summary:
概念   物理意义
导数   函数在该点的瞬时变化率
偏导数  函数在坐标轴方向上的变化率
方向导数 函数在某点沿某个特定方向的变化率
梯度   函数在该点沿所有方向变化率最大的那个方向

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