0. 前言
按照国际惯例，首先声明：本文只是我自己学习的理解，虽然参考了他人的宝贵见解及成果，但是内容可能存在不准确的地方。如果发现文中错误，希望批评指正，共同进步。
本文基于PyTorch实例说明SGD（随机梯度下降）优化方法。
随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent, SGD）是一种在机器学习和深度学习中广泛使用的优化算法，用于最小化模型的损失函数。SGD 适用于大规模数据集和复杂的模型，尤其是在训练神经网络时。
1. SGD算法介绍
SGD 的思想源于传统的梯度下降法（GD），后者是通过计算整个数据集上的损失函数梯度来确定参数更新的方向和步长。然而，在大数据场景下，每次迭代都遍历所有样本的计算成本很高。SGD 就是在这种背景下提出的，它采用了一个更为高效的策略：在每一步迭代中，仅随机抽取一个样本来估计梯度，然后用这个估计梯度更新模型参数。
1.1 基本流程
- 初始化模型参数 θ。
- 对于每个训练迭代：
a. 随机选择一个样本 (x, y) 或者一个包含多个样本的小批量数据（mini-batch）。
b. 计算选定样本或小批量数据上的损失函数 L ( θ ) L(θ) L(θ)关于当前参数 θ θ θ 的梯度 ∇ L ( θ ) ∇L(θ) ∇L(θ)。
c. 使用学习率 η 来更新模型参数： θ i + 1 = θ i − η ∇ L ( θ i ) θ_{i+1} = θ_i - η∇L(θ_i) θi+1=θi−η∇L(θi)。 - 重复步骤2直到达到预设的停止条件（如达到最大迭代次数、损失函数收敛等）。
1.2 SGD特点
- 优点：
- 计算效率高，尤其对于大规模数据集，可以快速获得反馈并进行更新。
- 具有在线学习的能力，可以适应实时流式数据输入。
- 由于噪声的存在，SGD有助于避免局部极小点，并有可能跳到全局最优附近。
- 缺点：
- 梯度估计具有随机性，可能导致训练过程不稳定，收敛速度也可能会受噪声影响而变慢。
- 学习率的选择非常关键，如果过大可能错过最优解，过小则会导致收敛慢。
- 不像批量梯度下降那样能准确反映整体数据集的趋势。
1.3 SGD进阶形式
为了改进标准 SGD 的性能，研究者们提出了一系列增强版的 SGD 算法，例如：
- Momentum（动量）：引入历史梯度信息，减少振荡并加速收敛。
- Nesterov Accelerated Gradient (NAG)：在计算梯度时提前考虑动量的影响。
- Adagrad、RMSprop、Adadelta：自适应调整学习率，对不同参数使用不同的学习率。
- Adam 和 AdaMax：基于梯度的一阶矩和二阶矩估计进行自适应学习率调整，是目前最常用的优化器之一。
这些算法结合了 SGD 的随机性和其它技术以提高优化效果和稳定性。
2. 实例说明
基于Pytorch，手动编写SGD（随机梯度下降）方法，求-sin2(x)-sin2(y)的最小值，x∈[-2.5 , 2.5] , y∈[-2.5 , 2.5]。
画一下要拟合的函数图像:
代码
import matplotlib.pyplot from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D import numpy import os #这句要加，要不画图会报错 os.environ['KMP_DUPLICATE_LIB_OK'] = 'TRUE' #这句要加，要不画图会报错 def fix_fun(x,y): #构建函数fix_fun = (x^2+y+10)^4+(x+y^2-5)^4 return -numpy.sin(x)**2 - numpy.sin(y)**2 #画一下函数图像 x = numpy.arange(-2.5,2.5,0.1) y = numpy.arange(-2.5,2.5,0.1) x, y = numpy.meshgrid(x, y) z = fix_fun(x,y) fig = matplotlib.pyplot.figure() ax = Axes3D(fig) ax.plot_surface(x,y,z, cmap='rainbow') matplotlib.pyplot.show()
画出来后，曲面长下面的样子↓
3. SGD算法构建思路
非常简单：用.backward()方法求出要优化的函数的梯度，按照SGD的定义找出最优解。
4. 运行结果
看看随机生成的几个优化的结果
5. 源码
老规矩，细节的备注仍然写在代码里面。
import torch from torch.autograd import Variable import matplotlib.pyplot from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D import numpy import os #这句要加，要不画图会报错 os.environ['KMP_DUPLICATE_LIB_OK'] = 'TRUE' #这句要加，要不画图会报错 def fix_fun_numpy(x,y): #构建函数fix_fun（因为tensor数据类型和numpy画图不能混用，构建两个函数） return -numpy.sin(x)**2 - numpy.sin(y)**2 def fix_fun_tensor(x,y): #构建函数fix_fun return -torch.sin(x)**2 - torch.sin(y)**2 #画一下函数图像 x = numpy.arange(-2.5,2.5,0.1) y = numpy.arange(-2.5,2.5,0.1) x, y = numpy.meshgrid(x, y) z = fix_fun_numpy(x,y) fig = matplotlib.pyplot.figure() ax = Axes3D(fig) #构建SGD算法 X = (torch.rand(2,dtype=float)-0.5)*5 #0~1分布改成-2.5~2.5分布，生成随机初始点（所以叫‘随机’梯度下降） X_dots = [] Y_dots = [] Z_dots = [] for iter in range(50): X = Variable(X, requires_grad = True) #需要求导的时候要加这一句 Z = fix_fun_tensor(X[0],X[1]) #这一句一定要写在Variable后面 Z.backward() #求导（梯度） X = X - 0.1*X.grad #learning rate=0.1 X_dots.append(X[0].detach().numpy()) #记录下每个学习过程点（为了后面画出学习的路径） Y_dots.append(X[1].detach().numpy()) Z_dots.append(Z.detach().numpy()) ax.plot_wireframe(x, y, z) #换成wireframe，因为用surface会和曲线重合，看不出来 ax.plot(X_dots,Y_dots,Z_dots,color='red') matplotlib.pyplot.show()
6. 后记
喜欢探索的同学还可以把上面的源码改一改，并试试Adagrad, Adam, Momentum这些方法，也对比下各自的优劣。
