梯度 方向导数

本文详细介绍了方向导数和梯度的基本概念及其相互之间的联系。方向导数表示函数在某一点沿特定方向的变化率,而梯度则指出了函数增长最快的方向,并且其模长代表了该方向上的最大变化率。

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基本概念

  • 方向导数:是一个数;反映的是f(x,y)在P0点沿方向v的变化率。
  • 梯度:是一个向量;每个元素为函数对一元变量的偏导数;它既有大小(其大小为最大方向导数),也有方向。

Ref:方向导数与梯度

疑问1

这里写图片描述
(上图的式子少了Δy)
Ref:第七节 方向导数与梯度

答案就是“在点P(x,y)是可微分的”。可以看看全微分的定理:
这里写图片描述
Ref:百度百科:全微分

疑问2

梯度的方向就是函数f(x,y)在这点增长最快的方向,梯度的模为方向导数的最大值。

这里写图片描述
Ref:第七节 方向导数与梯度

### 梯度下降算法中方向导数的作用及计算方式 #### 方向导数的定义及其作用 方向导数表示函数沿某一特定方向的变化率。具体来说,在多维空间中,如果有一个可微函数 \( f(x_1, x_2, \dots, x_n) \),那么它在某一点 \( P \) 处沿着单位向量 \( \vec{u} \) 的变化率称为该点处的方向导数[^2]。 方向导数的重要性在于它可以用来衡量目标函数在一个给定方向上的增减趋势。这为梯度下降提供了理论依据——通过找到使方向导数最小化的方向来实现最快速地下降[^3]。 #### 计算方向导数的方法 假设函数 \( f(x_1, x_2, \dots, x_n) \) 是连续可微的,则其在点 \( (x_1, x_2, \dots, x_n) \) 处沿单位向量 \( \vec{u} = (u_1, u_2, \dots, u_n) \) 的方向导数可以由以下公式给出: \[ D_{\vec{u}}f(\vec{x}) = \nabla f(\vec{x}) \cdot \vec{u} \] 其中: - \( \nabla f(\vec{x}) \) 表示函数 \( f \) 在点 \( \vec{x} \) 处的梯度; - \( \cdot \) 表示两个向量之间的点积运算。 因此,方向导数实际上是梯度与指定方向之间夹角余弦值的乘积。当方向梯度相反时(即两者夹角为 \( 180^\circ \)),方向导数达到最小值,这意味着函数在此方向上减少得最快[^4]。 #### 梯度下降中的应用 在机器学习领域,尤其是训练神经网络模型时,通常会采用梯度下降法调整参数以最小化损失函数。此过程中利用了上述提到的方向导数概念:每次更新都朝着使得当前步长范围内损失函数值降低最多的方向前进。这一过程可以通过如下迭代公式描述: \[ \theta := \theta - \alpha \nabla_\theta J(\theta) \] 这里: - \( \theta \) 表示待优化的参数集合; - \( \alpha > 0 \) 称作学习速率,控制每一步移动的距离大小; - \( J(\theta) \) 则代表需要被极小化的成本或者误差函数[^5]。 这种策略确保了随着每一次更新操作,整体性能逐步改善直至收敛至局部最优解附近为止。 ```python def gradient_descent(theta, alpha, max_iterations, cost_function, grad_func): iteration = 0 while iteration < max_iterations: gradient = grad_func(theta) # Compute the gradient at current theta. theta -= alpha * gradient # Update parameters using negative of gradient. iteration += 1 # Increment counter after each update cycle. return theta # Return final set of optimized parameters upon completion. ```
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