随机梯度下降的学习

梯度下降（Gradient-Descent）

在机器学习的旅途中，不可避免需要与它打交道，那么该如何初步理解它的用途呢？

好的，想象你在一个山谷中，想要找到最低点（山谷的底部）。你现在在某个地方，但不确定如何到达最低点。这个过程就像是梯度下降。
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寻找方向：你看看四周，发现周围的地势向下倾斜的方向是你应该走的方向。这个“倾斜”就对应于梯度。
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一步一步前进：你每次只走一小步，朝着那个倾斜的方向前进。每走一步，你再次查看周围的地形，找到新的倾斜方向，并继续向前走。

直到达到最低点：你重复这个过程，直到不再有明显的倾斜方向，或者再走一步几乎没有下降，这时候你就到达了山谷的底部，也就是你的目标——最低点。

那么在机器学习中，损失函数就像地形，模型参数就是你的位置，而梯度就是指向最低点的方向。通过不断调整参数，梯度下降帮助我们找到最佳的模型设置。
这个过程就像在不断探索和调整，直到找到最优解。

再回到通用的概念中来：梯度下降是一种优化算法，用于最小化损失函数，从而提高模型的性能。

在机器学习中，它的主要用途是调整模型参数，使得预测值更接近实际值。通过计算损失函数相对于参数的梯度，梯度下降能指引我们朝着减少损失的方向更新参数，最终找到最佳的参数设置。简而言之，它帮助我们优化模型，使其在训练数据上表现更好。Gradient-Descent（全世界最通俗易懂的梯度下降法详解-优化函数大法）

损失函数（loss function）

ok，现在在简单讲解一下损失函数。同样，我们可以用一个生动的例子来理解：

想象你在打保龄球，目标是把球滚向瓶子，尽量击倒所有瓶子。损失函数就像是你每次投球后的“得分”。
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得分计算：如果你把球准确地滚到瓶子前，得分很高；如果偏离目标，得分就低。得分的高低反映了你与理想结果的距离。

最小化损失：你的目标是尽量提高得分，降低失误。在机器学习中，损失函数就是计算你预测值与实际值之间的差距，越小越好。

优化过程：每次投球后，你会分析一下哪种姿势或力量最有效，以便下一次投得更好。这个调整过程就是优化模型参数，以减少损失。

因此，损失函数帮助我们评估模型的表现，指导我们进行调整，最终达到更好的预测效果。

简单的理解就是每一个样本经过模型后会得到一个预测值，然后得到的预测值和真实值的差值就成为损失（当然损失值越小证明模型越是成功），我们知道有许多不同种类的损失函数，这些函数本质上就是计算预测值和真实值的差距的一类型函数，然后经过库（如pytorch，tensorflow等）的封装形成了有具体名字的函数。

损失函数（lossfunction）的全面介绍（简单易懂版）

随机梯度下降

有了前面的一点基础知识，再来学习理解随机梯度下降便会容易些。
随机梯度下降（SGD）是一种改进的梯度下降方法。
放上一张李沐大大的图，介绍它的运作机制，引入名词：mini-batch，意味小批量
在这里插入图片描述
主要优点如下：

1.效率：每次只用一小部分数据（一个样本或小批量），比使用整个数据集更新参数要快得多。这在处理大规模数据集时尤为重要。

2.更快的收敛：由于随机性，SGD可以在损失函数的复杂面上“跳跃”，避免陷入局部最优，可能更快找到全局最优解。

3.更强的泛化能力：随机更新引入了噪声，有助于避免过拟合，使模型在新数据上表现更好。

而这些优点结合实际的例子就是，
假设你在拼图，你采取的拼图方法是每次只拿一小部分拼图块来试拼，而这样就会导致

更快：你不用等整个拼图完成，就能快速尝试和调整。

更灵活：偶尔拼错的块可能让你发现新的组合，帮助你找到更好的拼图方式。

更容易找到整体效果：通过随机选择不同的块，你能更好地应对整个拼图，而不是只依赖一种方式。
简单python代码实现

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 生成一些示例数据
np.random.seed(0)
X = 2 * np.random.rand(100, 1)  # 100个随机点
y = 4 + 3 * X + np.random.randn(100, 1)  # 线性关系加上一些噪声

# 初始化参数
theta = np.random.randn(2, 1)  # 权重和偏置
learning_rate = 0.01
n_epochs = 50
m = len(X)

# 增加偏置项
X_b = np.c_[np.ones((m, 1)), X]  # 在X的第一列加上偏置项1

# 随机梯度下降
for epoch in range(n_epochs):
    for i in range(m):
        random_index = np.random.randint(m)  # 随机选择一个样本
        Xi = X_b[random_index:random_index + 1]  # 取出这个样本
        yi = y[random_index:random_index + 1]
        
        # 计算预测
        gradient = 2 * Xi.T.dot(Xi.dot(theta) - yi)  # 计算梯度
        theta -= learning_rate * gradient  # 更新参数

# 打印最终参数
print("Learned parameters:", theta)

# 可视化结果
plt.scatter(X, y, color='blue', label='Data')
plt.plot(X, X_b.dot(theta), color='red', label='Linear regression')
plt.xlabel('X')
plt.ylabel('y')
plt.legend()
plt.title('Linear Regression with SGD')
plt.show()