深度学习中常见的优化方法——SGD，Momentum，Adagrad，RMSprop， Adam

SGD

SGD是深度学习中最常见的优化方法之一，虽然是最常使用的优化方法，但是却有不少常见的问题。

learning rate不易确定，如果选择过小的话，收敛速度会很慢，如果太大，loss function就会在极小值处不停的震荡甚至偏离。每个参数的learning rate都是相同的，如果数据是稀疏的，则希望出现频率低的特征进行大一点的更新。深度神经网络之所以比较难训练，并不是因为容易进入局部最小，而是因为学习过程容易进入马鞍面中，在这种区域中，所有方向的梯度值几乎都是0。

 Momentum(动量)

Momentum借助了物理中的动量的概念，即前几次的梯度也会参与计算。为了表示动量，引入一个新的变量V，V是之前的梯度的累加，但是在每个回合都会有一定的衰减。它的特点是当前后梯度方向不一致时，能够加速学习，前后梯度方向一致时，能够抑制震荡。

 

 其中，v就体现了累加的梯度，表示学习率，当前后梯度一致时，v的值就越来越大，因而加速训练，当出现震荡时，v能够起到缓冲震荡的作用。

 

Nesterov Momentum

对Momentum的一种改进：先对参数进行估计，然后使用估计估计后的参数来计算误差。

 

 先通过冲量对参数进行更新，相当于向前迈了一步，在计算出这时的梯度，利用这时的梯度进行更新参数。

 

 区别于momentum的地方在于先进行了参数的更新。

 

Adagrad

在上述的优化算法中，参数的步长都是相的，那么能否为不同的常数设置不同的步长呢，对于梯度大的参数设置小的步长，对于梯度小的参数，设置大的步长。类比于在缓坡上面，我们可以大步长的前进，在陡坡上面，这需要小步长的前进。adagrad则是参考了这个思路。

 

 上述的式子中，对梯度的平方进行了累加，所以r值一直都是递增的，故梯度的改变量会越来越小。对于较小的梯度，r的开方若小于1的，故梯度的改变量则较大，对于较大的梯度，r的开放较大，所以梯度改变量则较小。该优化方法的问题是，r的值一直是递增的，导致梯度梯度改变量会一直减小。

 

RMSprop

RMSprop是对Adagrad的改进，通过引入一个衰减系数，让r每回合都衰减一定的比例。这种方法能够很好的解决Adagrad的过早结束的问题，适合处理非平衡的目标，对于RNN 的效果很好。

 

 该算法的做法是通过一个参数来控制r的值。

 

Adam

Adam的名称是adaptive moment estimation，自适应矩估计。它的本质上是带有动量的RMSprop，利用梯度的一阶矩估计和二阶矩估计调整每个参数的学习率。

 

其中，s是一阶矩估计，r是二阶矩估计 ，一阶矩部分中就是带有冲量的部分，二阶矩中就是使得各个参数有不同的梯度。

 

优化算法的选择

如果数据是稀疏的，就用自适应方法，即adagrad，adadelte，RMSprop，Adam。这几种算法在很多的情况下都是相似的，通过Adam是比较好的选择。如果需要快速的验证新模型可以使用Adam；当模型上线发布时，可以使用SGD进行模型的极致优化。