AI学习日记——神经网络参数的更新
目录
一、参数更新与SGD的局限性
1. 神经网络最优化问题的挑战
2. SGD方法及其实现
3. SGD的缺点分析
二、改进的优化算法
1. Momentum方法
2. AdaGrad方法
3. Adam方法
三、优化算法比较与实践
1. 四种方法可视化对比
2. 算法选择建议
总结
一、参数更新与SGD的局限性
1. 神经网络最优化问题的挑战
神经网络的学习本质上是寻找使损失函数最小化的参数过程，这被称为最优化问题。然而，神经网络的最优化面临两大挑战：
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参数空间复杂：无法通过解析方法直接求得最优解
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参数数量庞大：深度网络中的参数可达数百万甚至数十亿
探险家比喻：寻找最优参数就像蒙眼探险家在广阔地形中寻找最深山谷，只能依靠脚下坡度（梯度）作为唯一线索。
2. SGD方法及其实现
随机梯度下降法（SGD）是最基础的优化方法，在《AI学习日记——线性回归》中有详细介绍：
数学表达式：
代码实现：
class SGD:
def __init__(self, lr=0.01): #一般情况下固定为0.01或0.001
self.lr = lr # 学习率
def update(self, params, grads):
for key in params.keys():
params[key] -= self.lr * grads[key]
使用示例：
network = TwoLayerNet(...)
optimizer = SGD(lr=0.01)for i in range(10000):
x_batch, t_batch = get_mini_batch(...)
grads = network.gradient(x_batch, t_batch)
optimizer.update(network.params, grads) # 更新参数
实例化optimizer负责完成参数更新，只需要将参数和梯度的信息传给optimizer。
3. SGD的缺点分析
SGD在处理非均向函数（多变量时【不同方向/不同变量】上的“坡度”不同）时效率低下：
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呈"之"字形移动路径，搜索效率低
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梯度方向并不总指向最小值方向
-
对所有变量使用相同的学习率
二、改进的优化算法
1. Momentum方法
Momentum模拟了物理学中的动量概念，使优化过程像小球在斜面上滚动。让每个点加上上一个点的更新方向向量，模拟惯性。
数学原理：
Python实现：
class Momentum:
def __init__(self, lr=0.01, momentum=0.9):
self.lr = lr
self.momentum = momentum #惯性学习率
self.v = None # 保存的上一个点的更新方向
def update(self, params, grads):
if self.v is None:
self.v = {}
for key, val in params.items():
self.v[key] = np.zeros_like(val)
for key in params.keys():
self.v[key] = self.momentum * self.v[key] - self.lr * grads[key]
params[key] += self.v[key]
优势：
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抑制"之"字形振荡
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在梯度方向一致的维度上加速
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在梯度方向变化的维度上减速
2. AdaGrad方法
AdaGrad为每个参数自适应地调整学习率a。除以h：以前的所有梯度值的平方和 开根，用来判断此前移动幅度大小。更新幅度大，学习率下降大；更新幅度小，学习率下降的小。
数学原理：
Python实现：
class AdaGrad:
def __init__(self, lr=0.01):
self.lr = lr
self.h = None # 梯度平方和累积
def update(self, params, grads):
if self.h is None:
self.h = {}
for key, val in params.items():
self.h[key] = np.zeros_like(val)
for key in params.keys():
self.h[key] += grads[key] * grads[key]
params[key] -= self.lr * grads[key] / (np.sqrt(self.h[key]) + 1e-7) #防止梯度为0
特点：
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频繁更新的参数学习率变小
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稀疏更新的参数学习率保持较大
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自动进行学习率衰减
局限性：
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学习过程中更新量会越来越小
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可能过早停止学习（可通过RMSProp改进）
3. Adam方法
Adam结合了Momentum和AdaGrad的优点，是当前最流行的优化算法。
核心思想：
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使用动量项加速收敛
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自适应调整每个参数的学习率
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包含偏置校正机制
Python实现：
非常复杂，这里不展示update细节，宏观理解即可，包含一阶矩估计，二阶矩估计，偏执矫正的思想。
class Adam:
def __init__(self, lr=0.001, beta1=0.9, beta2=0.999):
self.lr = lr
self.beta1 = beta1 # 一次momentum系数
self.beta2 = beta2 # 二次momentum系数
self.iter = 0
self.m = None # 一次momentum
self.v = None # 二次momentum
def update(self, params, grads):
# 具体实现包含偏置校正等细节
# ...
超参数设置：
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学习率α：通常设为0.001
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β1：0.9（一次momentum系数）
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β2：0.999（二次momentum系数）
三、优化算法比较与实践
1. 四种方法可视化对比
在测试函数 f(x, y) = (1/20)x² + y² 上的表现：
2. 算法选择建议
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首选Adam：在大多数情况下表现良好
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备用SGD：当Adam效果不佳时尝试
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学习率调整：Adam的默认学习率0.001通常效果很好
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批量大小：与优化算法配合调整
总结
本文介绍了神经网络优化的主要方法及其改进。首先分析了SGD的局限性，包括效率低下和单一学习率问题。随后详细介绍了三种改进算法：Momentum（模拟物理动量）、AdaGrad（自适应学习率）和Adam（结合两者优势）。通过可视化对比，Adam在多数情况下表现最优，建议作为首选算法，同时保留SGD作为备选方案。实践时需注意学习率和批量大小的调整。