机器学习中常见优化方法汇总

http://www.scipy-lectures.org/advanced/mathematical_optimization/index.html#a-review-of-the-different-optimizers

机器学习中数学优化专门用于解决寻找一个函数的最小值的问题。这里的函数被称为cost function或者objective function，或者energy:损失函数或者目标函数。

更进一步，在机器学习优化中，我们并不依赖于被优化的函数的数学解析表达式，我们通过使用$scipy.optimize$从而实现类似黑盒优化。

了解你的优化问题本身

并不是所有的优化问题都是一样的，如果你能对你待优化的问题本身有一个深刻的理解，这样可以选择正确的优化方法。

1.其中非常重要的一点就是要考察问题本身的维数。问题本身数据的维数（标量变量的个数）决定了优化问题的规模。

2.convex和non-convex优化

凸函数的特征:

• $f$总是在其切线之上
• 或者说，对于两个点$A,B$，如果$A<C<B$,则$f(C)$总是在线段$f(A),f(B)$之间

凸函数优化相对非常简单。

 3.函数光滑与否(是否处处可导)

4. loss函数以及gradient函数是否存在噪声

如果gradient没有解析式，那么我们都须通过计算式计算，这必然导致误差。

5. 是否有限制条件

比如，下图中就要求优化只能在$x_1,x_2 in (-1,1)$间优化

常见的优化方法

Brent’s method 

理论依据是中值定理，对于一个连续函数,$f$,如果两个端点a,b的函数值$f(a)f(b)<0$，则$(a,b)$之间必然存在一个驻点(导数为0)，我们可以不断迭代最终求得驻点；

from scipy import optimize
def f(x):
    return -np.exp(-(x - 0.7)**2)
result = optimize.minimize_scalar(f)
result.success # check if solver was successful

x_min = result.x

gradient based methods

简单梯度下降法

原理如教科书的描述，根据梯度下降的方向去做数值变更和迭代，最终求得驻点。

存在的问题是：参数调整时可能反复跨过驻点从而形成震荡，虽然减少参数调整的布幅可以减轻这个问题，但是无法彻底解决。

共轭梯度下降

共轭算法在简单梯度下降基础上增加一个摩擦项(friction term),每个step依赖于梯度最近的两个值，这样可以有效解决反复震荡问题。

def f(x):   # The rosenbrock function
    return .5*(1 - x[0])**2 + (x[1] - x[0]**2)**2
optimize.minimize(f, [2, -1], method="CG")    

梯度优化方法需要loss函数的雅可比（梯度）值，虽然即使你不传入导数(雅可比矩阵是针对y值为向量的情况下的梯度向量)，算法也能够通过数值计算方法算出来，但是如果有解析表达式，我们传入这个值会大大提升收敛效率.

def jacobian(x):
    return np.array((-2*.5*(1 - x[0]) - 4*x[0]*(x[1] - x[0]**2), 2*(x[1] - x[0]**2)))
optimize.minimize(f, [2, 1], method="CG", jac=jacobian)    

注意：通过传入解析表达式后，只需要28次就能收敛，而之前需要108次迭代才能收敛。

牛顿梯度法（Newton and quasi-newton methods）

def f(x):   # The rosenbrock function
    return .5*(1 - x[0])**2 + (x[1] - x[0]**2)**2
def jacobian(x):
    return np.array((-2*.5*(1 - x[0]) - 4*x[0]*(x[1] - x[0]**2), 2*(x[1] - x[0]**2)))
optimize.minimize(f, [2,-1], method="Newton-CG", jac=jacobian)    

BFGS

BFGS在牛顿法基础上细调了Hessian矩阵的估算方法

L-BFGS

L-BFGS位于BFGS和共轭梯度法之间。对于非常高维（大于250个）的loss函数，Hessian矩阵的计算是非常耗时的，L-BFGS keeps a low-rank version.

非梯度优化方法

Powell算法

Nelder-Mead

带约束条件的函数优化

盒子边界

def f(x):
   return np.sqrt((x[0] - 3)**2 + (x[1] - 2)**2)
optimize.minimize(f, np.array([0, 0]), bounds=((-1.5, 1.5), (-1.5, 1.5))) 

 通用约束:拉格朗日乘数法化约束为对偶无约束的优化问题

def f(x):
    return np.sqrt((x[0] - 3)**2 + (x[1] - 2)**2)

def constraint(x):
    return np.atleast_1d(1.5 - np.sum(np.abs(x)))

x0 = np.array([0, 0])
optimize.minimize(f, x0, constraints={"fun": constraint, "type": "ineq"})