Tensorflow深度学习之-优化器的选择与使用介绍

梯度下降算法（Gradient Descent Optimization）是神经网络模型训练最常用的优化算法。梯度下降算法背后的原理：目标函数J(θ)关于参数θ的梯度将是目标函数上升最快的方向，对于最小化优化问题，只需要将参数沿着梯度相反的方向前进一个步长(学习速率)，就可以实现目标函数的下降。参数更新公式如下： 是学习率， 是损失函数

SGD缺点：
(1) leraning rate 选择太小，收敛速度会很慢，如果太大，则loss function会在极小值附近不停的震荡，甚至片偏离。
(2) 容易被困在鞍点。

SGD分类：
1.批量梯度下降算法，J(θ)是在整个训练集上计算的，如果数据集比较大，可能会面临内存不足问题，而且其收敛速度一般比较慢。
2.随机梯度下降算法，J(θ)是针对训练集中的一个训练样本计算的，又称为在线学习，即得到了一个样本，就可以执行一次参数更新。所以其收敛速度会快一些，但是有可能出现目标函数值震荡现象，因为高频率的参数更新导致了高方差。
3.小批量梯度下降算法，是折中方案，J(θ)选取训练集中一个小批量样本计算，这样可以保证训练过程更稳定，而且采用批量训练方法也可以利用矩阵计算的优势。这是目前最常用的梯度下降算法。

**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，每次迭代计算的梯度含有比较大的噪音。**解决这一问题的一个简单的做法便是引入momentum，momentum即动量，是BorisPolyak在1964年提出的，其基于物体运动时的惯性：将一个小球从山顶滚下，其初始速率很慢，但在加速度作用下速率很快增加，并最终由于阻力的存在达到一个稳定速率，***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。

以看到，参数更新时不仅考虑当前梯度值，而且加上了一个动量项γm，但多了一个超参γ，通常γ设置为0.5，直到初始学习稳定，然后增加到0.9或更高。相比原始梯度下降算法，动量梯度下降算法有助于加速收敛。当梯度与动量方向一致时，动量项会增加，而相反时，动量项减少，因此动量梯度下降算法可以减少训练的震荡过程。

NAG（Nesterov Accelerated Gradient），，由Ilya Sutskever(2012 unpublished)在Nesterov工作的启发下提出的。对动量梯度下降算法的改进版本，其速度更快。其变化之处在于计算“超前梯度”更新动量项 γm，具体公式如下：

既然参数要沿着动量项 γm更新，不妨计算未来位置（θ -γm）的梯度，然后合并两项作为最终的更新项，其具体效果如图1所示，可以看到一定的加速效果。

AdaGrad是Duchi在2011年提出的一种学习速率自适应的梯度下降算法。在训练迭代过程，其学习速率是逐渐衰减的，经常更新的参数其学习速率衰减更快，这是一种自适应算法。其更新过程如下：

每步迭代过程:

1.从训练集中的随机抽取一批容量为m的样本{x1,…,xm},以及相关的输出yi
2.计算梯度和误差,更新r,再根据r和梯度计算参数更新量:

其中，全局学习速率 ?, 初始参数 θ，梯度平方的累计量r初始化为0)， δ（通常为10^?7）是为了防止分母的为 0
由于梯度平方的累计量r逐渐增加的，那么学习速率是衰减的。考虑下图所示的情况，目标函数在两个方向的坡度不一样，如果是原始的梯度下降算法，在接近坡底时收敛速度比较慢。而当采用AdaGrad，这种情况可以被改善。由于比较陡的方向梯度比较大，其学习速率将衰减得更快，这有利于参数沿着更接近坡底的方向移动，从而加速收敛。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。

缺点: 任然要设置一个变量? ,经验表明，在普通算法中也许效果不错，但在深度学习中，深度过深时会造成训练提前结束

Adadelta是对Adagrad的扩展，最初方案依然是对学习率进行自适应约束，但是进行了计算上的简化。
Adagrad会累加之前所有的梯度平方，而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。即：

其中，η是学习率，gt 是梯度。
在此处Adadelta其实还是依赖于全局学习率的，但是作者做了一定处理，经过近似牛顿迭代法之后

其中，E代表求期望。此时，可以看出Adadelta已经不用依赖于全局学习率了。

RMSprop是对Adagrad算法的改进，主要是解决。其实思路很简单，类似Momentum思想，引入一个衰减系数，让梯度平方的累计量r 每回合都衰减一定比例：

decay: 衰减率
epsilon: 设置较小的值，防止分母的为 0.

优点：

• 相比于AdaGrad,这种方法有效减少了出现梯度爆炸情况，因此避免了学习速率过快衰减的问题。
  - 适合处理非平稳目标，对于RNN效果很好

缺点：

• 又引入了新的超参—衰减系数ρ
• 依然依赖于全局学习速率，
  RMSprop算是Adagrad的一种发展，和Adadelta的变体，效果趋于二者之间。

自适应矩估计（daptive moment estimation，Adam），是Kingma等在2015年提出的一种新的优化算法，本质上是带有动量项的RMSprop，其结合了Momentum和RMSprop算法的思想。它利用梯度的一阶矩估计 和 二阶矩估计 动态调整每个参数的学习率。
具体实现每步迭代过程:
1.从训练集中的随机抽取一批容量为m的样本{x1,…,xm},以及相关的输出yi
2.计算梯度和误差,更新r和s,再根据r和s以及梯度计算参数更新

其中，一阶动量s，二阶动量r（初始化为0），一阶动量衰减系数ρ1, 二阶动量衰减系数ρ2
超参数的建议值是ρ1=0.9，ρ2 =0.999，epsilon: 设置较小的值，防止分母的为 0。