各种优化方法总结比较(sgd/momentum/Nesterov/adagrad/adadelta)

前言

这里讨论的优化问题指的是，给定目标函数f(x)，我们需要找到一组参数x，使得f(x)的值最小。

本文以下内容假设读者已经了解机器学习基本知识，和梯度下降的原理。

Batch gradient descent

梯度更新规则:
BGD 采用整个训练集的数据来计算 cost function 对参数的梯度：

缺点:
由于这种方法是在一次更新中，就对整个数据集计算梯度，所以计算起来非常慢，遇到很大量的数据集也会非常棘手，而且不能投入新数据实时更新模型。

我们会事先定义一个迭代次数 epoch，首先计算梯度向量 params_grad，然后沿着梯度的方向更新参数 params，learning rate 决定了我们每一步迈多大。

Batch gradient descent 对于凸函数可以收敛到全局极小值，对于非凸函数可以收敛到局部极小值。

SGD(Stochastic gradient descent)

梯度更新规则:
和 BGD 的一次用所有数据计算梯度相比，SGD 每次更新时对每个样本进行梯度更新，
对于很大的数据集来说，可能会有相似的样本，这样 BGD 在计算梯度时会出现冗余，
而 SGD 一次只进行一次更新，就没有冗余，而且比较快，并且可以新增样本。

缺点:
但是 SGD 因为更新比较频繁，会造成 cost function 有严重的震荡。

BGD 可以收敛到局部极小值，当然 SGD 的震荡可能会跳到更好的局部极小值处。

当我们稍微减小 learning rate，SGD 和 BGD 的收敛性是一样的。

Mini-batch gradient descent

梯度更新规则:
MBGD 每一次利用一小批样本，即 n 个样本进行计算，
这样它可以降低参数更新时的方差，收敛更稳定，
另一方面可以充分地利用深度学习库中高度优化的矩阵操作来进行更有效的梯度计算。

和 SGD 的区别是每一次循环不是作用于每个样本，而是具有 n 个样本的批次

超参数设定值:
n 一般取值在 50～256

缺点:
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。

此外，这种方法是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。
另外，对于非凸函数，还要避免陷于局部极小值处，或者鞍点处，因为鞍点周围的error 是一样的，所有维度的梯度都接近于0，SGD 很容易被困在这里。

鞍点就是：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）

Momentum

SGD方法的一个缺点是，其更新方向完全依赖于当前的batch，因而其更新十分不稳定。解决这一问题的一个简单的做法便是引入momentum。

momentum即动量，它模拟的是物体运动时的惯性，即更新的时候在一定程度上保留之前更新的方向，同时利用当前batch的梯度微调最终的更新方向。这样一来，可以在一定程度上增加稳定性，从而学习地更快，并且还有一定摆脱局部最优的能力：

Δxt=ρΔxt−1−ηgt

其中，ρ 即momentum，表示要在多大程度上保留原来的更新方向，这个值在0-1之间，在训练开始时，由于梯度可能会很大，所以初始值一般选为0.5；当梯度不那么大时，改为0.9。η 是学习率，即当前batch的梯度多大程度上影响最终更新方向，跟普通的SGD含义相同。ρ 与 η 之和不一定为1。

Nesterov Momentum

这是对传统momentum方法的一项改进，由Ilya Sutskever(2012 unpublished)在Nesterov工作的启发下提出的。

其基本思路如下图：

首先，按照原来的更新方向更新一步（棕色线），然后在该位置计算梯度值（红色线），（则在计算梯度时，不是在当前位置，而是未来的位置上）然后用这个梯度值修正最终的更新方向（绿色线）。上图中描述了两步的更新示意图，其中蓝色线是标准momentum更新路径。

公式描述为：

Δxt=ρΔxt−1−ηΔf(xt+ρΔxt−1)

Adagrad

上面提到的方法对于所有参数都使用了同一个更新速率。但是同一个更新速率不一定适合所有参数。比如有的参数可能已经到了仅需要微调的阶段，但又有些参数由于对应样本少等原因，还需要较大幅度的调动。

Adagrad就是针对这一问题提出的，自适应地为各个参数分配不同学习率的算法。

其中gt 同样是当前的梯度，连加和开根号都是元素级别的运算。eta 是初始学习率，由于之后会自动调整学习率，所以初始值就不像之前的算法那样重要了。而ϵ是一个比较小的数，用来保证分母非0。

其含义是，对于每个参数，随着其更新的总距离增多，其学习速率也随之变慢。

Adadelta

Adagrad算法存在三个问题

其学习率是单调递减的，训练后期学习率非常小
其需要手工设置一个全局的初始学习率
更新xt时，左右两边的单位不统一

Adadelta针对上述三个问题提出了比较漂亮的解决方案。

首先，针对第一个问题，我们可以只使用adagrad的分母中的累计项离当前时间点比较近的项。

这里ρ是衰减系数，通过这个衰减系数，我们令每一个时刻的gt随之时间按照ρ指数衰减，这样就相当于我们仅使用离当前时刻比较近的gt信息，从而使得还很长时间之后，参数仍然可以得到更新。

RMSprop

RMSprop 是 Geoff Hinton 提出的一种自适应学习率方法。

RMSprop 和 Adadelta 都是为了解决 Adagrad 学习率急剧下降问题的，

梯度更新规则:
RMSprop 与 Adadelta 的第一种形式相同：

超参数设定值:
Hinton 建议设定 γ 为 0.9, 学习率 η 为 0.001。

Adam

这个算法是另一种计算每个参数的自适应学习率的方法。

除了像 Adadelta 和 RMSprop 一样存储了过去梯度的平方 vt 的指数衰减平均值，也像 momentum 一样保持了过去梯度 mt 的指数衰减平均值：

如果 mt 和 vt 被初始化为 0 向量，那它们就会向 0 偏置，所以做了偏差校正，
通过计算偏差校正后的 mt 和 vt 来抵消这些偏差：

梯度更新规则:

超参数设定值:
建议 β1 ＝ 0.9，β2 ＝ 0.999，ϵ ＝ 10e−8

实践表明，Adam 比其他适应性学习方法效果要好。

如何选择？

如果数据是稀疏的，就用自适用方法，即 Adagrad, Adadelta, RMSprop, Adam。

RMSprop, Adadelta, Adam 在很多情况下的效果是相似的。

Adam 就是在 RMSprop 的基础上加了 bias-correction 和 momentum，

随着梯度变的稀疏，Adam 比 RMSprop 效果会好。

整体来讲，Adam 是最好的选择。

很多论文里都会用 SGD，没有 momentum 等。SGD 虽然能达到极小值，但是比其它算法用的时间长，而且可能会被困在鞍点。

如果需要更快的收敛，或者是训练更深更复杂的神经网络，需要用一种自适应的算法。