机器学习基本知识（2）

0.前言

前期博客介绍了机器学习基础概念和三要素，本期博客重点讲解三要素的算法部分，即学习模型的具体计算方法。

1、常用计算方法

梯度下降法、牛顿法、拟牛顿法、坐标下降法。

梯度下降法的改进型：AdaDelta，AdaGrad，Adam，NAG等。

1.1 梯度下降法

梯度下降法沿着梯度的反方向进行搜索，利用了函数的一阶导数信息。梯度下降法的迭代公式为：

根据函数的一阶泰勒展开，在负梯度方向，函数值是下降的。只要学习率设置的足够小，并且没有到达梯度为0的点处，每次迭代时函数值一定会下降。需要设置学习率为一个非常小的正数的原因是要保证迭代之后的xk+1位于迭代之前的值xk的邻域内，从而可以忽略泰勒展开中的高次项，保证迭代时函数值下降。

梯度下降法只能保证找到梯度为0的点，不能保证找到极小值点。迭代终止的判定依据是梯度值充分接近于0，或者达到最大指定迭代次数。

梯度下降法在机器学习中应用广泛，尤其是在深度学习中。AdaDelta，AdaGrad，Adam，NAG等改进的梯度下降法都是用梯度构造更新项，区别在于更新项的构造方式不同。

1.2 牛顿法

牛顿法利用了函数的一阶和二阶导数信息，直接寻找梯度为0的点。牛顿法的迭代公式为：

其中H为Hessian矩阵，g为梯度向量。牛顿法不能保证每次迭代时函数值下降，也不能保证收敛到极小值点。在实现时，也需要设置学习率，原因和梯度下降法相同，是为了能够忽略泰勒展开中的高阶项。学习率的设置通常采用直线搜索（line search）技术。

在实现时，一般不直接求Hessian矩阵的逆矩阵，而是求解下面的线性方程组：

其解d称为牛顿方向。迭代终止的判定依据是梯度值充分接近于0，或者达到最大指定迭代次数。

牛顿法比梯度下降法有更快的收敛速度，但每次迭代时需要计算Hessian矩阵，并求解一个线性方程组，运算量大。另外，如果Hessian矩阵不可逆，则这种方法失效。

2、其他求解计算方法

2.1 拉格朗日乘数法

拉格朗日乘数法是一个理论结果，用于求解带有等式约束的函数极值。对于如下问题：

构造拉格朗日乘子函数：

在最优点处对x和乘子变量的导数都必须为0：

解这个方程即可得到最优解。对拉格朗日乘数法更详细的讲解可以阅读任何一本高等数学教材。机器学习中用到拉格朗日乘数法的地方有：主成分分析、线性判别分析、流形学习中的拉普拉斯特征映射、隐马尔科夫模型等。

2.2 凸优化

数值优化算法面临两个方面的问题：局部极值，鞍点。前者是梯度为0的点，也是极值点，但不是全局极小值；后者连局部极值都不是，在鞍点处Hessian矩阵不定，即既非正定，也非负定。凸优化通过对目标函数，优化变量的可行域进行限定，可以保证不会遇到上面两个问题。凸优化是一类特殊的优化问题，它要求：优化变量的可行域是一个凸集，目标函数是一个凸函数。凸优化最好的一个性质是：所有局部最优解一定是全局最优解。

机器学习中典型的凸优化问题有：线性回归、岭回归、LASSO回归、Logistic回归、支持向量机、Softamx回归等

2.3 拉格朗日对偶

对偶是最优化方法里的一种方法，它将一个最优化问题转换成另外一个问题，二者是等价的。拉格朗日对偶是其中的典型例子。对于如下带等式约束和不等式约束的优化问题：

与拉格朗日乘数法类似，构造广义拉格朗日函数：

必须满足的约束： $\lambda \geq 0$

原问题为：

即先固定住x，调整拉格朗日乘子变量 $\lambda$ ，让函数L取极大值；然后控制变量x，让目标函数取极小值。原问题与我们要优化的原始问题是等价的。

对偶问题为：

和原问题相反，这里是先控制变量x，让函数L取极小值；然后控制拉格朗日乘子变量，让函数取极大值。

一般情况下，原问题的最优解大于等于对偶问题的最优解，这称为弱对偶。在某些情况下，原问题的最优解和对偶问题的最优解相等，这称为强对偶。强对偶成立的一种条件是Slater条件：一个凸优化问题如果存在一个候选x使得所有不等式约束都是严格满足的，即对于所有的i都有gi (x)<0，不等式不取等号，则强对偶成立，原问题与对偶问题等价。注意，Slater条件是强对偶成立的充分条件而非必要条件。

拉格朗日对偶在机器学习中的典型应用是支持向量机SVM。