常用矩阵求导

矩阵求导用来做什么:在机器学习中都是近世代数学运算,所以求导数也往往是对矩阵求导数。
矩阵求导的本质一个矩阵中的每一个元素对另外一个矩阵的每一个元素求导数。因此核心问题是明白求导以后,所得到的导数如何分布的。
我们由简单到复杂解释如何进行矩阵求导:
对于简单情况,x为向量y为标量,y对x每一个分量求导,不难理解有如下结论。f(x)代表着对x的运算。
x = [ x 1 x 2 ⋅ ⋅ x n ]   y = f ( x ) x= \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \\ ·\\ ·\\ x_n \end{bmatrix} \, y=f(x) x=x1x2xny=f(x)
∇ x y = [ d y d x 1 d y d x 2 ⋅ ⋅ d y d x n ] \nabla_{x}y= \begin{bmatrix} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x_1} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x_2}\\ ·\\ ·\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x_n} \end{bmatrix} xy=dx1dydx2dydxndy
同理可得x为标量y为向量的情况下

y = [ f 1 ( x ) , f 2 ( x ) , ~ , f n ( x ) ] y=\begin{bmatrix}f_1(x),f_2(x),~,f_n(x)\end{bmatrix} y=[f1(x),f2(x),,fn(x)]
有:
∇ x y = [ d y 1 x , d y 2 x , ~ , d y 3 x ] \nabla_x y=\begin{bmatrix}\frac{\mathrm{d}y_1}{x},\frac{\mathrm{d}y_2}{x},~,\frac{\mathrm{d}y_3}{x}\end{bmatrix} xy=[xdy1,xdy2,,xdy3]
对于复杂的情况,比如x和y都是向量的情况下,我们可以分开来分析,首先将y看作一个整体,对x各个分量求导数。然后根据链式法则,或者是参考反向传播,y的每个分量都需要对x的特定分量进行求导。
x = [ x 1 x 2 ⋅ ⋅ x n ] y = [ y 1 y 2 ⋅ ⋅ y n ] x= \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \\ ·\\ ·\\ x_n \end{bmatrix} y= \begin{bmatrix} y_1 \\ y_2 \\ ·\\ ·\\ y_n \end{bmatrix} x=x1x2xny=y1y2yn
∇ x y = [ d y d x 1 d y d x 2 ⋅ ⋅ d y d x n ] = [ d y 1 d x 1   d y 2 d x 1   d y 3 d x 1 ~   d y 2 d x 1 d y 1 d x 2 d y 2 d x 2 d y 3 d x 2 ~ d y 4 d x 2 ⋅ ⋅ d y 1 d x n , d y 2 d x n , d y 3 d x n ~ d y 4 d x n ] \nabla_{x}y= \begin{bmatrix} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x_1} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x_2}\\ ·\\ ·\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x_n} \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} \frac{\mathrm{d}y_1}{\mathrm{d}x_1} \, \frac{\mathrm{d}y_2}{\mathrm{d}x_1} \, \frac{\mathrm{d}y_3}{\mathrm{d}x_1}~\, \frac{\mathrm{d}y_2}{\mathrm{d}x_1}\\ \frac{\mathrm{d}y_1}{\mathrm{d}x_2} \frac{\mathrm{d}y_2}{\mathrm{d}x_2} \frac{\mathrm{d}y_3}{\mathrm{d}x_2}~ \frac{\mathrm{d}y_4}{\mathrm{d}x_2}\\ ·\\ ·\\ \frac{\mathrm{d}y_1}{\mathrm{d}x_n} , \frac{\mathrm{d}y_2}{\mathrm{d}x_n} , \frac{\mathrm{d}y_3}{\mathrm{d}x_n} ~\frac{\mathrm{d}y_4}{\mathrm{d}x_n} \end{bmatrix} xy=dx1dydx2dydxndy=dx1dy1dx1dy2dx1dy3dx1dy2dx2dy1dx2dy2dx2dy3dx2dy4dxndy1,dxndy2,dxndy3dxndy4

常用的几个结论:
d x T d x = 1 \frac{\mathrm{d}x^T}{\mathrm{d}x}=1 dxdxT=1
∇ x X T A X = ( A + A T ) X \nabla_{x}X^TAX=(A+A^T)X xXTAX=(A+AT)X
∇ u ( t ) v ( t ) = u ( t ) ∇ t v ( t ) + ∇ t u ( t ) v ( t ) \nabla u(t)v(t)=u(t) \nabla_t v(t)+ \nabla_tu(t)v(t) u(t)v(t)=u(t)tv(t)+tu(t)v(t)

应该足够应付大部分问题了

<think>嗯,用户想了解矩阵求导的方法和公式,特别是机器学习中的应用。首先,我需要回顾一下矩阵求导的基础知识。根据引用[1],矩阵求导机器学习中非常重要,尤其是在处理方程组和优化问题时。用户提到的应用可能涉及梯度下降等优化算法,这时候矩阵求导是关键步骤。 接下来,我得整理矩阵求导的核心概念。引用[1]中提到变量变元和函数变元,这可能涉及到标量、向量和矩阵之间的求导规则。比如,当函数是标量而变量是矩阵时,导数可能是一个矩阵,每个元素对应偏导数,如引用[2]所述。 然后,矩阵求导的定义法需要解释清楚。分子布局和分母布局的区别可能会让初学者困惑,所以需要简明扼要地说明。例如,向量对标量的导数通常采用分子布局,结果是一个向量;而标量对向量的导数是梯度向量,这在梯度下降中常用到,引用[3]中的雅可比矩阵可能与此相关。 常用的公式部分,用户可能需要具体的例子来理解。比如线性变换的导数,如引用[3]中的全连接层,权重矩阵对输入的导数就是权重矩阵本身。另外,二次型的导数在机器学习中也很常见,比如损失函数中的正则化项,这时候的导数可以用公式直接计算,如引用[2]提到的矩阵相对于标量的导数。 应用方面,需要结合机器学习的具体场景。比如神经网络中的反向传播,涉及链式法则和矩阵求导,这里可能需要提到如何通过矩阵运算高效计算梯度。优化算法如梯度下降中的参数更新,每一步都需要计算损失函数对参数的导数,这通常涉及矩阵运算,如引用[1]中的矩阵方程求解。 用户可能还关心实际应用中的注意事项,比如自动微分框架如何处理矩阵求导,或者为什么某些情况下使用特定的布局方式。这些问题可以作为相关问题提出,帮助用户进一步探索。 最后,需要确保回答的结构清晰,分点列出方法和应用,并附上相关公式的LaTeX格式,符合用户的格式要求。同时,引用需要正确对应到参考内容,确保信息的准确性。</think>### 矩阵求导方法及在机器学习中的应用 #### 一、矩阵求导的核心方法 1. **定义法** 矩阵求导的核心是明确 **变量类型**(标量、向量、矩阵)和 **函数类型**(标量函数、向量函数、矩阵函数)。根据不同的组合,导数表现形式不同: - **标量对向量求导**:结果为梯度向量。例如,函数 $f(\mathbf{x})$ 对向量 $\mathbf{x}$ 的导数为 $\nabla f(\mathbf{x}) = \left[\frac{\partial f}{\partial x_1}, \dots, \frac{\partial f}{\partial x_n}\right]^T$[^2]。 - **向量对标量求导**:结果为向量,例如 $\frac{\partial \mathbf{y}}{\partial x} = \left[\frac{\partial y_1}{\partial x}, \dots, \frac{\partial y_m}{\partial x}\right]^T$[^3]。 - **矩阵对标量求导**:结果为与原矩阵同形的矩阵,元素为 $\frac{\partial A_{ij}}{\partial x}$[^3]。 2. **分子布局与分母布局** 求导结果的形式由布局约定决定: - **分子布局**:以分子(函数)的维度优先排列,例如标量对列向量求导结果为行向量。 - **分母布局**:以分母(变量)的维度优先排列,更符合传统梯度定义。 --- #### 二、常用矩阵求导公式 以下公式在机器学习中应用广泛(假设 $\mathbf{x}$ 为向量,$A$ 为矩阵,$c$ 为标量): 1. **线性变换** - 若 $\mathbf{y} = A\mathbf{x}$,则 $\frac{\partial \mathbf{y}}{\partial \mathbf{x}} = A$。 - 若 $c = \mathbf{x}^T A \mathbf{x}$,则 $\frac{\partial c}{\partial \mathbf{x}} = (A + A^T)\mathbf{x}$。 2. **矩阵乘法** - 若 $C = AB$,则 $\frac{\partial C}{\partial t} = A\frac{\partial B}{\partial t} + \frac{\partial A}{\partial t}B$(链式法则)。 3. **二次型导数** $$ \frac{\partial (\mathbf{x}^T A \mathbf{x})}{\partial \mathbf{x}} = 2A\mathbf{x} \quad (\text{当} A \text{对称时}) $$[^2] --- #### 三、在机器学习中的典型应用 1. **神经网络反向传播** 权重矩阵 $W$ 的梯度计算需要求损失函数 $L$ 对 $W$ 的导数。例如,全连接层的梯度为: $$ \frac{\partial L}{\partial W} = \frac{\partial L}{\partial \mathbf{y}} \cdot \mathbf{x}^T $$ 其中 $\mathbf{y} = W\mathbf{x}$ 是前向传播输出。 2. **优化算法** 梯度下降中参数更新公式为: $$ \theta_{t+1} = \theta_t - \eta \nabla_\theta J(\theta) $$ 其中 $\nabla_\theta J(\theta)$ 需通过矩阵求导计算损失函数对参数矩阵的梯度[^1]。 3. **正则化项求导** L2正则化项 $\frac{\lambda}{2}\|W\|_F^2$ 的导数为 $\lambda W$,直接通过矩阵对标量求导规则得出。 ---
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