李宏毅《机器学习 深度学习》简要笔记（一）

一、线性回归中的模型选择

上图所示：

五个模型，一个比一个复杂，其中所包含的function就越多，这样就有更大几率找到一个合适的参数集来更好的拟合训练集。所以，随着模型的复杂度提高，train error呈下降趋势。

上图所示：

右上角的表格中分别体现了在train和test中的损失值大小，可以看出，从第三个模型开始，就呈过拟合（Overfitting）状态。

二、分种类的训练模型

当模型会根据种类不同而有较大区别时，可以分种类来形成多个不同的model。在李宏毅老师举例中，不同的精灵在进化前和进化后CP值得变化曲线是不同的。如下图所示：

这样分类别来训练模型，可以更好的让model拟合真实数据。

三、添加正则化

使用正则化后，当w非常小（接近0）的时候，我们的输入变化对结果的影响会趋于0。所以我们可以通过调整λ参数来调整正则化的强度。λ越大时，模型曲线更平滑。

在这里，我们不需要对b进行正则化，因为b只会影响模型曲线上下移动（b是常数），所以无需对其进行调整。

如上图所示：

根据λ从小变大，test的损失越来越小，达到一个最小值后，又越来越大。而train的损失值逐渐变大。这是因为当λ变大时，模型越来越平滑，在降低过拟合的同时，也使得对训练数据的拟合度降低。如图中曲线所示，我们可以找到一个train和test损失值最相近的地方，这里就是λ的最佳取值。

我们需要将曲线变得平滑一点，但又不能将其变得过于平滑，如果过于平滑就会从过拟合（train的loss低，test的loss高）变为欠拟合（train的loss高，test的loss也比较高）。

P2

一、学习率的调整

在我们调整学习率的时候，我们尽量画出右边的曲线，观察学习率是否过大或过小，然后选择一个最合适的学习率η。

二、学习率的自动调整

Adagrad：

在Adagrad中，学习率在每次迭代的时候，都除以以前所有步数的梯度的平方和根。但是Adagrad有个问题，就是学习率衰减很快，有可能提前结束训练，从而无法从后面的数据中学习到有用的信息。

在这里面，可以看出一个比较矛盾的地方，即gt比较大的时候，分母也会比较大，与我们初衷不符（应该是在陡峭的地方，我们希望学习率越大），这背后的原理我们可以参考P2中19:30-31:00的讲解。

SGD：

SGD就是每看一个样本就更新一次权重。假设一共有20个样本，普通的梯度下降每次迭代都要看20个样本，然后使用平均的梯度来更新权重，但是如果使用SGD的话，我们同样看20个样本，则已经更新20次。如图中所示，后者在更新20次后，所前进到的位置优于前者。

但SGD有一个缺点，就是每一个样本都更新权重，则使得在计算上可能无法充分发挥矩阵运算的效率。而且在接近最优解的地方可能震荡范围比较大。

特征伸缩（Gradient Descent）：

特征伸缩可以将取值范围差别很大的特征伸缩到范围处于同一量级，这样的话相当于同一了各个维度的梯度（不会出现一个方向很平缓、一个方向很陡峭的极端情况）。这样在更新权重的时候，每个方向的更新速度就相差不大，这样可以加快收敛的速度。

如上图所示，对于R个样本，每个样本中不同Feature分别求平均值Mi，然后各个值减去相应的平均值，然后再除以方差。这样就会使得该Feature的所有数据的平均值为0，方差为1。如下图所示：

三、梯度下降的来源

参考P2 44:20-59:30对梯度下降的推导过程。

1.通过泰勒级数（Taylor Series）将Loss function展开。

2.在梯度下降中，我们只考虑k=0和k=1的情况，也就是说只使用一阶微分。在多变量的情况下：

3.当红框非常小的时候，以上式子才成立

4.我们将式子做一定变换，然后忽略常数S，我们如何来使L(θ)最小，我们就需要取(Δθ1,Δθ2)的方向与(u,v)相反，如下图所示：

5.下图中描述，当红圈非常小时，L(θ)式子才成立，我们将u和v的计算式带入L(θ)就可以得到梯度下降对权重更新公式。当然，在梯度下降中，我们只考虑了泰勒级数的一阶微分项。在某种情况下，我们也可以将二阶甚至三阶加入考虑（例如牛顿法就考虑了二次式），但是由于二阶以上的微分求解消耗比较大，所以在梯度下降中并未做考虑。一定要注意，要让梯度下降算法生效，最重要的就是红色圆圈要足够小，也就是说学习率要足够小。

四、我们无法知道梯度更新接近0的时候是不是局部最优

P3

当我们执行梯度下降时，我们就像上图中游戏一样，我们无法知道我们走到的一个梯度接近0的位置到低是不是局部最优（甚至全局最优），因为周边都是黑雾，除非我们作弊开天眼。