深度学习 Pytorch笔记 B站刘二大人 梯度下降算法 Gradient-Descend 数学推导与源码实现 （2/10）

梯度下降算法 Gradient-Descend 数学推导与源码详解 深度学习 Pytorch笔记 B站刘二大人（2/10）

数学原理分析

在第一节中我们定义并构建了线性模型，即最简单的深度学习模型，但是深度学习通常是由四个环节构成，准备数据，构建模型，定义损失与优化函数，循环迭代训练。其中非常重要的就是让模型在每次的循环中进行自我优化，并将模型逐渐优化为理想中的高准确率模型。

即我们要找到一种方法，使得模型的参数w不停逼近理想化的值w0，使得整体模型的训练损失loss最小，在（1/10）中可以具体体现为让权重参数w对应模型的loss停留在损失曲线谷底，使得训练结束后w尽可能靠近w=2.0

梯度下降法
梯度下降法是在寻优过程中最简单也是最普遍的应用方法，目的是沿着梯度的方向找到一个函数的局部最小值
通过梯度的概念我们知道，梯度表示某一函数在该点处的方向导数沿着该方向取得最大值，即函数在该点处沿着该方向（此梯度的方向）变化最快，变化率最大。

显然我们知道如果按照一定的移动步长，沿梯度减小的方向，不断的进行更新。在越“陡峭”的地方，一次下降的距离越大；在越平缓，越接近谷底的位置，则一次下降的距离越小。这样在足够多此的迭代后，将接近该函数的局部最小值，这一方法也被称梯度下降法，是迭代法的一种，可以用于求解线性和非线性的最小二乘问题。

在上图中alpha即为每次的迭代步长，这样进行多次迭代，w的取值最终将趋于曲线谷底。
加上forward函数后的推导如图

其中xn×w-yn是之前定义的损失函数，最终将梯度公式求解得到只于x，w，y有关表达式

源码解读与实现

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

x_data = [1.0, 2.0, 3.0]  # 定义原始数据集
y_data = [2.0, 4.0, 6.0]

w = 1.0

def forward(x):
    return w * x

def loss(xs, ys):
    y_pred = forward(xs)	# 定义损失函数
    return (y_pred - ys) ** 2	# 返回损失平方

def gradient(xs,ys):
    return 2 * x * (x * w - y)     # 对单个数据取梯度，即上文推导表达式结果


print('Predict before training', 4, forward(4))

for epoch in range(100):
    for x,y in zip(x_data, y_data):
        grad = gradient(x, y)	
        w = w - 0.01 * grad		# 取步长alpha为0.01，即每一次训练梯度grad*0.01进行优化更新
        print('\t grad: ', x, y, grad)
        l = loss(x,y)
    print('progress', epoch, 'w= ', w, 'loss= ', l)
print('Predict after training', 4, forward(4))
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