机器学习中的数学（1）-梯度下降法

前言

接下来这个系列主要介绍机器学习中的数学知识，学好机器学习，首先得去理解其中的数学意义。不一定要到能够轻松自如的推导中间的公式，不过至少得认识这些式子，不然看一些相关的论文可就看不懂了。本系列主要将会着重于去机器学习的数学描述这个部分，将会覆盖但不一定局限于回归、聚类、分类等算法。

机器学习中的大部分问题都是优化问题，而绝大部分优化问题都可以使用梯度下降法处理，那么搞懂什么是梯度，什么是梯度下降法就非常重要！这是基础中的基础，也是必须掌握的概念。

提到梯度，就必须从导数（derivative）、偏导数（partial derivative）和方向导数（directional derivative）讲起，弄清楚这些概念，才能够正确理解为什么在优化问题中使用梯度下降法来优化目标函数，并熟练掌握梯度下降法（Gradient Descent）。

导数一张图读懂导数与微分：

导数定义如下：

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)

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Δx0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。

导数与方向导数：

方向导数的定义如下：

在前面导数和偏导数的定义中，均是沿坐标轴正方向讨论函数的变化率。那么当我们讨论函数沿任意方向的变化率时，也就引出了方向导数的定义，即：某一点在某一趋近方向上的导数值。

通俗的解释是：

我们不仅要知道函数在坐标轴正方向上的变化率（即偏导数），而且还要设法求得函数在其他特定方向上的变化率。而方向导数就是函数在其他特定方向上的变化率。

导数与梯度梯度的定义如下：

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。 接下来介绍其在机器学习中的具体应用。

回归

回归在数学上来说是给定一个点集，能够用一条曲线去拟合之，如果这个曲线是一条直线，那就被称为线性回归，如果曲线是一条二次曲线，就被称为二次回归，回归还有很多的变种，如locally weighted回归，logistic回归，等等，这个将在后面去讲。

用一个很简单的例子来说明回归，这个例子来自很多的地方，也在很多的open source的软件中看到，比如说weka。大概就是，做一个房屋价值的评估系统，一个房屋的价值来自很多地方，比如说面积、房间的数量（几室几厅）、地段、朝向等等，这些影响房屋价值的变量被称为特征(feature)，feature在机器学习中是一个很重要的概念，有很多的论文专门探讨这个东西。在此处，为了简单，假设我们的房屋就是一个变量影响的，就是房屋的面积。

假设有一个房屋销售的数据如下：

面积(m^2) 销售价钱（万元）

123 250

150 320

87 160

102 220

… …

这个表类似于帝都5环左右的房屋价钱，我们可以做出一个图，x轴是房屋的面积。y轴是房屋的售价，如下：

如果来了一个新的面积，假设在销售价钱的记录中没有的，我们怎么办呢？

我们可以用一条曲线去尽量准的拟合这些数据，然后如果有新的输入过来，我们可以在将曲线上这个点对应的值返回。如果用一条直线去拟合，可能是下面的样子：

绿色的点就是我们想要预测的点。

首先给出一些概念和常用的符号，在不同的机器学习书籍中可能有一定的差别。

房屋销售记录表 - 训练集(training set)或者训练数据(training data), 是我们流程中的输入数据，一般称为x

房屋销售价钱 - 输出数据，一般称为y

拟合的函数（或者称为假设或者模型），一般写做 y = h(x)

训练数据的条目数(#training set), 一条训练数据是由一对输入数据和输出数据组成的

输入数据的维度(特征的个数，#features)，n

下面是一个典型的机器学习的过程，首先给出一个输入数据，我们的算法会通过一系列的过程得到一个估计的函数，这个函数有能力对没有见过的新数据给出一个新的估计，也被称为构建一个模型。就如同上面的线性回归函数。

我们用X1，X2，...，Xn 去描述feature里面的分量，比如x1=房间的面积，x2=房间的朝向，等等，我们可以做出一个估计函数：

θ在这儿称为参数，在这儿的意思是调整feature中每个分量的影响力，就是到底是房屋的面积更重要还是房屋的地段更重要。为了如果我们令X0 = 1，就可以用向量的方式来表示了：

我们程序也需要一个机制去评估我们θ是否比较好，所以说需要对我们做出的h函数进行评估，一般这个函数称为损失函数（loss function）或者错误函数(error function)，描述h函数不好的程度，在下面，我们称这个函数为J函数

在这儿我们可以做出下面的一个损失函数：

这个损失估计函数是去对x(i)的估计值与真实值y(i)差的平方和作为错误估计函数，前面乘上的1/2是为了在求导的时候，使得系数变为1。

如何调整θ以使得J(θ)取得最小值有很多方法，其中有最小二乘法，是一种完全是数学描述的方法，在stanford机器学习开放课最后的部分会推导最小二乘法的公式的来源，这个来很多的机器学习和数学书上都可以找到，这里就不提最小二乘法，而用梯度下降法来寻找最优解。

梯度下降法是按下面的流程进行的：

1）首先对θ赋值，这个值可以是随机的，也可以让θ是一个全零的向量。

2）改变θ的值，使得J(θ)按梯度下降的方向进行减少。

为了更清楚，给出下面的图：

这是一个表示参数θ与误差函数J(θ)的关系图，红色的部分是表示J(θ)有着比较高的取值，我们需要的是，能够让J(θ)的值尽量的低。也就是深蓝色的部分。θ_0，θ_1表示θ向量的两个维度。

在上面提到梯度下降法的第一步是给θ给一个初值，假设随机给的初值是在图上的十字点。

然后我们将θ按照梯度下降的方向进行调整，就会使得J(θ)往更低的方向进行变化，如图所示，算法的结束将是在θ下降到无法继续下降为止。

当然，可能梯度下降的最终点并非是全局最小点，可能是一个局部最小点，可能是下面的情况：

上面这张图就是描述的一个局部最小点，这是我们重新选择了一个初始点得到的，看来我们这个算法将会在很大的程度上被初始点的选择影响而陷入局部最小点

下面我将用一个例子描述一下梯度减少的过程，对于我们的函数J(θ)求偏导J：

下面是更新的过程，也就是θi会向着梯度最小的方向进行减少。θi表示更新之前的值，-后面的部分表示按梯度方向减少的量，α表示步长，也就是每次按照梯度减少的方向变化多少。

一个很重要的地方值得注意的是，梯度是有方向的，对于一个向量θ，每一维分量θi都可以求出一个梯度的方向，我们就可以找到一个整体的方向，在变化的时候，我们就朝着下降最多的方向进行变化就可以达到一个最小点，不管它是局部的还是全局的。

用更简单的数学语言进行描述步骤 2）是这样的：

倒三角形表示梯度，按这种方式来表示，θi就不见了，看看用好向量和矩阵，真的会大大的简化数学的描述啊。

总结：

本文中的内容主要取自stanford的课程第二集。本系列的下一篇文章也将会取自stanford课程的第三集，下一次将会深入的讲讲回归、logistic回归、和Newton法，不过本系列并不希望做成stanford课程的笔记版，再往后面就不一定完全与stanford课程保持一致了。

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