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来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/343564175
论文标题：An overview of gradient descent optimization algorithms Github：NLP相关Paper笔记和代码复现（https://github.com/DengBoCong/nlp-paper） 不管是使用PyTorch还是TensorFlow，用多了Optimizer优化器封装好的函数，对其内部使用的优化算法却没有仔细研究过，也很难对其优点和缺点进行实用的解释。所以打算以这一篇论文为主线并结合多篇优秀博文，回顾和总结目前主流的优化算法，对于没有深入了解过的算法，正好借这个机会学习一下。 当前使用的许多优化算法，是对梯度下降法的衍生和优化。在微积分中，对多元函数的参数求 这里定义一个通用的思路框架，方便我们后面理解各算法之间的关系和改进。首先定义待优化参数 其中， 鞍点：一个光滑函数的鞍点邻域的曲线，曲面，或超曲面，都位于这点的切线的不同边。例如这个二维图形，像个马鞍：在x-轴方向往上曲，在y-轴方向往下曲，鞍点就是（0，0）。 什么是指数加权平均、偏差修正？- 郭耀华 - 博客园 https://www.cnblogs.com/guoyaohua/p/8544835.html 在GD中没有动量的概念，也就是说在上述框架中： ； 梯度下降算法中，模型参数的更新调整，与代价函数关于模型参数的梯度有关，即沿着梯度的方向不断减小模型参数，从而最小化代价函数。基本策略可以理解为”在有限视距内寻找最快路径下山“，因此每走一步，参考当前位置最陡的方向(即梯度)进而迈出下一步，更形象的如下图： 训练速度慢：在应用于大型数据集中，每输入一个样本都要更新一次参数，且每次迭代都要遍历所有的样本，会使得训练过程及其缓慢，需要花费很长时间才能得到收敛解。 容易陷入局部最优解：由于是在有限视距内寻找下山的反向，当陷入平坦的洼地，会误以为到达了山地的最低点，从而不会继续往下走。所谓的局部最优解就是鞍点，落入鞍点，梯度为0，使得模型参数不在继续更新。
Batch Gradient Descent（BGD）
BGD相对于标准GD进行了改进，改进的地方通过它的名字应该也能看出来，也就是不再是想标准GD一样，对每个样本输入都进行参数更新，而是针对一个批量的数据输入进行参数更新。我们假设批量训练样本总数 为 从上面的公式我们可以看到，BGD其实是在一个批量的样本数据中，求取该批量样本梯度的均值来更新参数，即每次权值调整发生在批量样本输入之后，而不是每输入一个样本就更新一次模型参数，这样就会大大加快训练速度，但是还是不够，我们接着往下看。
Stochastic Gradient Descent（SGD）
随机梯度下降法，不像BGD每一次参数更新，需要计算整个数据样本集的梯度，而是每次参数更新时，仅仅选取一个样本 公式看起来和上面标准GD一样，但是注意了，这里的样本是从批量中随机选取一个，而标准GD是所有的输入样本都进行计算。可以看到BGD和SGD是两个极端，SGD由于每次参数更新仅仅需要计算一个样本的梯度，训练速度很快，即使在样本量很大的情况下，可能只需要其中一部分样本就能迭代到最优解，由于每次迭代并不是都向着整体最优化方向，导致梯度下降的波动非常大（如下图），更容易从一个局部最优跳到另一个局部最优，准确度下降。 论文中提到，当缓慢降低学习率时，SGD会显示与BGD相同的收敛行为，几乎一定会收敛到局部（非凸优化）或全局最小值（凸优化）。 虽然看起来SGD波动非常大，会走很多弯路，但是对梯度的要求很低（计算梯度快），而且对于引入噪声，大量的理论和实践工作证明，只要噪声不是特别大，SGD都能很好地收敛。 应用大型数据集时，训练速度很快。比如每次从百万数据样本中，取几百个数据点，算一个SGD梯度，更新一下模型参数。相比于标准梯度下降法的遍历全部样本，每输入一个样本更新一次参数，要快得多。 SGD在随机选择梯度的同时会引入噪声，使得权值更新的方向不一定正确（次要）。
Mini-batch Gradient Descent（MBGD，也叫作SGD）
小批量梯度下降法就是结合BGD和SGD的折中，对于含有
小批量梯度下降法即保证了训练的速度，又能保证最后收敛的准确率，目前的SGD默认是小批量梯度下降算法。常用的小批量尺寸范围在50到256之间，但可能因不同的应用而异。 Mini-batch gradient descent 不能保证很好的收敛性，learning rate 如果选择的太小，收敛速度会很慢，如果太大，loss function 就会在极小值处不停地震荡甚至偏离（有一种措施是先设定大一点的学习率，当两次迭代之间的变化低于某个阈值后，就减小 learning rate，不过这个阈值的设定需要提前写好，这样的话就不能够适应数据集的特点）。对于非凸函数，还要避免陷于局部极小值处，或者鞍点处，因为鞍点所有维度的梯度都接近于0，SGD 很容易被困在这里（会在鞍点或者局部最小点震荡跳动，因为在此点处，如果是BGD的训练集全集带入，则优化会停止不动，如果是mini-batch或者SGD，每次找到的梯度都是不同的，就会发生震荡，来回跳动）。 SGD对所有参数更新时应用同样的 learning rate，如果我们的数据是稀疏的，我们更希望对出现频率低的特征进行大一点的更新， 且learning rate会随着更新的次数逐渐变小。 momentum算法思想：参数更新时在一定程度上保留之前更新的方向，同时又利用当前batch的梯度微调最终的更新方向，简言之就是通过积累之前的动量来加速当前的梯度。从这里开始，我们引入一阶动量的概念（在mini-batch SGD的基础之上），也就是说，在最开始说的框架中， 一阶动量是各个时刻梯度方向的指数移动平均值，约等于最近 Hessian矩阵病态问题（可以理解为SGD在收敛过程中和正确梯度相比来回摆动比较大的问题）。
Nesterov Accelerated Gradient
NAG(Nesterov accelerated gradient）算法，是Momentum动量算法的变种。momentum保留了上一时刻的梯度 加上nesterov项后，梯度在大的跳跃后，进行计算对当前梯度进行校正。下图是momentum和nesterrov的对比表述图如下： Nesterov动量梯度的计算在模型参数施加当前速度之后，因此可以理解为往标准动量中添加了一个校正因子。在凸批量梯度的情况下，Nesterov动量将额外误差收敛率从 Momentum和Nexterov都是为了使梯度更新更灵活。但是人工设计的学习率总是有些生硬，下面介绍几种自适应学习率的方法。 Adagrad其实是对学习率进行了一个约束，对于经常更新的参数，我们已经积累了大量关于它的知识，不希望被单个样本影响太大，希望学习速率慢一些；对于偶尔更新的参数，我们了解的信息太少，希望能从每个偶然出现的样本身上多学一些，即学习速率大一些。而该方法中开始使用二阶动量，才意味着“自适应学习率”优化算法时代的到来。 我们前面都没有好好的讨论二阶动量，二阶动量是个啥？它是用来度量历史更新频率的，二阶动量是迄今为止所有梯度值的平方和，即 细心的小伙伴应该会发现Adagrad还是存在一个很明显的缺点： 仍需要手工设置一个全局学习率 中后期，分母上梯度累加的平方和会越来越大，使得参数更新量趋近于0，使得训练提前结束，无法学习 由于AdaGrad调整学习率变化过于激进，我们考虑一个改变二阶动量计算方法的策略：不累积全部历史梯度，而只关注过去一段时间窗口的下降梯度，即Adadelta只累加固定大小的项，并且也不直接存储这些项，仅仅是近似计算对应的平均值（指数移动平均值），这就避免了二阶动量持续累积、导致训练过程提前结束的问题了，参数更新公式如下： 观察上面的参数更新公式，我们发现还是依赖于全局学习率 此时可以看出Adadelta已经不依赖全局learning rate了 ，Adadelta有如下特点：RMSProp算法修改了AdaGrad的梯度平方和累加为指数加权的移动平均，使得其在非凸设定下效果更好。设定参数：全局初始率 RMSprop算是Adagrad的一种发展，和Adadelta的变体，效果趋于二者之间 适合处理非平稳目标(包括季节性和周期性)——对于RNN效果很好
Adaptive Moment Estimation（Adam）
其实有了前面的方法，Adam和Nadam的出现就很理所当然的了，因为它们结合了前面方法的一阶动量和二阶动量。我们看到，SGD-M和NAG在SGD基础上增加了一阶动量，AdaGrad和AdaDelta在SGD基础上增加了二阶动量，参数更新公式如下（按照最开始总结的计算框架）： 通常情况下，默认值为 Adam梯度经过偏置校正后，每一次迭代学习率都有一个固定范围，使得参数比较平稳。 结合了Adagrad善于处理稀疏梯度和RMSprop善于处理非平稳目标的优点 也适用于大多非凸优化问题——适用于大数据集和高维空间。 Adamax是Adam的一种变体，此方法对学习率的上限提供了一个更简单的范围，即使用无穷范式，参数更新公式如下： 其实如果说要集成所有方法的优点于一身的话，Nadam应该就是了，Adam遗漏了啥？没错，就是Nesterov项，我们在Adam的基础上，加上Nesterov项就是Nadam了，参数更新公式如下： 可以看出，Nadam对学习率有更强的约束，同时对梯度的更新也有更直接的影响。一般而言，在使用带动量的RMSprop或Adam的问题上，使用Nadam可以取得更好的结果。
下图在一个存在鞍点的曲面，比较6中优化器的性能表现：
下图图比较了6种优化器收敛到目标点（五角星）的运行过程
那种优化器最好？该选择哪种优化算法？目前还没能够达达成共识。Schaul et al (2014)展示了许多优化算法在大量学习任务上极具价值的比较。虽然结果表明，具有自适应学习率的优化器表现的很鲁棒，不分伯仲，但是没有哪种算法能够脱颖而出。 目前，最流行并且使用很高的优化器（算法）包括SGD、具有动量的SGD、RMSprop、具有动量的RMSProp、AdaDelta和Adam。在实际应用中，选择哪种优化器应结合具体问题；同时，也优化器的选择也取决于使用者对优化器的熟悉程度（比如参数的调节等等）。 对于稀疏数据，尽量使用学习率可自适应的优化方法，不用手动调节，而且最好采用默认值 SGD通常训练时间更长，但是在好的初始化和学习率调度方案的情况下，结果更可靠 如果在意更快的收敛，并且需要训练较深较复杂的网络时，推荐使用学习率自适应的优化方法。 Adadelta，RMSprop，Adam是比较相近的算法，在相似的情况下表现差不多。 在想使用带动量的RMSprop，或者Adam的地方，大多可以使用Nadam取得更好的效果 添加梯度噪声（高斯分布 下载1：OpenCV-Contrib扩展模块中文版教程 在「小白学视觉 扩展模块中文教程 ， 即可下载全网第一份OpenCV扩展模块教程中文版，涵盖扩展模块安装、SFM算法、立体视觉、目标跟踪、生物视觉、超分辨率处理 等二十多章内容。在「小白学视觉 公众号后台回复：Python视觉实战项目 ， 即可下载包括图像分割、口罩检测、车道线检测、车辆计数、添加眼线、车牌识别、字符识别、情绪检测、文本内容提取、面部识别 等31个视觉实战项目，助力快速学校计算机视觉。 在「小白学视觉 公众号后台回复：OpenCV实战项目20讲 ， 即可下载含有20 个基于OpenCV 实现20个实战项目 ，实现OpenCV学习进阶。 交流群
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