前言

這幾天的文章會是一系列的，會需要一起看才比較能看懂整個ML模型的輪廓，
然而因為一天能寫的內容量有限，所以我會在前言部分稍微說明我寫到哪。

複習一下ML的整個訓練過程

因為ML模型的訓練階段章節內容會分很多部分，我們要先確認好自己在哪個階段，
以免吸收新內容卻不知道用在內容的什麼地方。

★ML的整個「訓練過程」：這裡以「監督式學習(Supervised Learning)」為例

而今天的文章我們就要來介紹所謂的「梯度下降法 (Gradient Descent)」
與ML模型中參數的修正「方向」與「步長(「step size」)」概念。

Course - Launching into Machine Learning

第三章節的課程地圖：「(紅字標記為本篇文章中會介紹到的章節)」

• 「Optimization」
  • Introduction to Optimization
    • Introduction
  • Defining ML Models
    • Defining ML Models
    • Introducing the Natality Dataset
  • Introducing Loss Functions
  • 「Gradient Descent」
    • 「Gradient Descent」
    • Troubleshooting a Loss Curve
    • ML Model Pitfalls
  • TensorFlow Playground
    • Lab: Introducing the TensorFlow Playground
    • Lab: TensorFlow Playground - Advanced
    • Lab: Practicing with Neural Networks
    • Loss Curve Troubleshooting
  • Performance Metrics
    • Performance Metrics
    • Confusion Matrix
  • Module Quiz

1. Gradient Descent

課程地圖

• Optimization
  • Gradient Descent
    • Gradient Descent

在昨天的章節中，我們介紹了「損失函數(loss function)」的計算方式，
然而「損失函數loss function」只能「告訴我們參數的好壞」，
我們仍需要一個「修改參數的方法」，

今天我們要介紹的「梯度下降法 (Gradient Descent)」，就是一種「修改參數的方法」。

自己的註1：

「損失函數(loss function)」是判斷誤差大小的計算方法，然而還需要一個「修改參數的方法」。像這邊介紹的「梯度下降法 (Gradient Descent)」就是一個基於「損失函數(loss function)」的值去「修改參數的方法」。

自己的註2：

現在機器學習可使用於「修改參數的方法」有非常多種，然而這邊只介紹最經典的「梯度下降法 (Gradient Descent)」，仍有其他好的「修改參數的方法」可以使用。

「梯度下降法 (Gradient Descent)」，是一種「搜尋參數的策略」，
他是在一個參數空間中的每個點所代表的loss上，沿著表面往下走的過程，如上圖。

自己的註：

我們從上一節可以知道一個點表示一組參數，而一組參數能算出一個loss值(代表誤差多少)，
我們可以將這個「loss值的計算結果」想像成「山的高度」，而對應位置就是參數的點，
就能夠畫出像上圖的等高線圖。

然而我們通常不可能把所有的loss都計算出來，我們頂多知道要評估哪個點時，
才會去計算那一個點的loss，例如說我們可能只知道像上圖的兩個點。

但即使如此，我們仍然要知道接下來我們要往哪裡移動，才能找到最小值。

自己的註：

還記得「最小化loss」是我們的訓練目標嗎?
另外我們所謂的「修正模型參數」，也就等同於「修正點的位置」，
那「最小的loss」會在這個像山的圖的哪邊呢?
當然是山谷的地方，所以上面才說「梯度下降法」像是「沿著表面往下走的過程」。

我們把這個問題稍微拆解成兩個不同卻同樣重要的問題。

• 我應該往哪個方向移動?
• 我應該要走多遠?

現在我們先做個簡單的假設，我們先「固定我們走一步的移動距離」，
「走一步的移動距離」又稱為，我們只討論我們「該往哪個方向移動」。

而這使得我們能得到上述的簡單演算法。

當 loss > 某一個很小的常數(epsilon)時，我們先計算方向，
然後對於模型中的參數(parameter)，
設定新的值為我們現在的點加上【往我們要的方向「走幾步」乘上「步長(「step size」)」】，
然後針對新的點計算新的loss。

我們可以用地形圖或等高線圖的概念去想，
等高線上的每一條線代表一定的深度。
線與線的距離越近，表示那段越陡峭。

就像上面這張圖的每一個點，我們可以從點與點之間看出點移動的方式。
這就是一個從頂部邊緣開始漸漸往下走，直到走到最終的最小值。

另外一個可以注意的點是：因為我們現在固定步長(「step size」)，所以每個點之間的距離是一樣的。
我們再來試著想一個問題，如果步長(「step size」)太小，我們的訓練會花很多時間。
但我們還是能夠保證能找到「可能的最小值」，
這裡會說是「可能的最小值」是因為「最小值可能不只一個」，後面我們會再討論。

自己的註1：

如果步長(「step size」)太小，我們的訓練會花很多時間。
這句話也可以想像為走一步的距離小，走道目標的時間就會長。

自己的註2：

另外「最小值可能不只一個」，是因為這張圖只有一個山谷。
但想想現實生活中的山谷也應該不是只有一個吧? 這裡也是一樣的。

(如上面這張圖，從開始點到走到山谷，步長(「step size」)越小，到山谷花的時間自然就要越長)

既然我們說步長(「step size」)越小，花的時間越長，
那我們走大步一點總會比較快了吧? 然而事情也沒有這麼順利。

如果步長(「step size」)太大，你有可能從loss表面的其中一面甚至直接跳到另外一面，
甚至有可能整個直接跳出這個山谷中，然後到了全新未知的地方，如上圖。

因為這個原因，步長(「step size」)太大，很有可能導致ML模型模辦法收斂。

自己的註1：

可以想像成，人走一個超級大步，連山谷都跨出去都有可能的那麼大步。(現實中可能有點扯啦XD)
可以想像成巨人之類的XDDD，總之太大步也不行，
有可能直接跨出山谷，或跨到山谷的另外一面。

自己的註2：

這裡突然提到「收斂」一詞，其實我們確實在找谷底的過程就是在做「收斂」的動作，
「當抵達谷底時」=「收斂完成」=「找到最小的loss」=「完成學習目標」
不能收斂的原因就是跟上面所說一樣，走太大步了! 谷底都被跨過了! 找不到谷底了!

從上面的例子我們就可以知道，我們應該要指定一個剛剛好的步長(「step size」)，
不可以太大、也不可以太小。
但想要找到這個剛剛好的值，似乎是沒那麼容易?

我們觀察左邊的圖與右邊的圖，
我們都給這兩張圖設定一樣的步長(「step size」)，

• 左邊的圖沒問題。
• 但在右邊的圖中，一開始的移動也許還可以，但我們看到在接近山谷時，
  這個我們設定的步長卻讓他一腳跨過了山谷，造成了訓練失敗。

所以從上面例子我們知道一個固定的步長(「step size」)，
似乎沒辦法適用於所有的ML模型，那我們該怎麼改變步長(「step size」)呢?

我們這裡用一些斜率與曲線變化的速率，
使我們對步長(「step size」)與方向(「direction」)更有概念。

我們看上圖，圖下方表示圖上方圖曲線(此曲線就是loss的變化曲線)的各點斜率值，
我們發現值較大的地方通常比值較小的地方離底部更遠。

自己的註：

(這裡的值指的是絕對值之後的值，也就是說下圖負越多或正越多離底部越遠。)

• 如果「斜率值越小」，表示我們「快要到底部了」(「要走一小步」)
• 如果「斜率值越大」，表示我們「離底部還很遠」(「要走一大步」)

另外再注意：

• 如果「斜率是負」，表示我們的「「谷底在右手邊」(「向右找最小值」)
• 如果「斜率是正」，表示我們的「谷底在左手邊」(「向左找最小值」)

我們換一個點看，例如點B，
他有「「正的斜率」」，告訴我們要「「向左找最小值」」，
另外他的「「斜率值很大」」，告訴我們「「要走一大步」」。

我們再換另一個點看，例如點C，
他有「「正的斜率」」，告訴我們要「「向左找最小值」」，
另外他的「「斜率值很小」」，告訴我們「「要走一小步」」，以避免走過頭。

我們現在就將我們的一開始所說的「固定的步長(「step size」)」，
用一個新函數「computeDerivative」來取代掉，
同時這個函數也能夠同時替我們決定「要前進的方向(derivative)」
我們將原本的點減掉「loss值的偏微分」，以獲得新的點。

自己的註：

也就是說，我們對loss值偏微分，依照剛剛上面的概念，
我們能同時獲得「應該前進的方向」與「要走多遠」。
啊對了，這方法就叫做「梯度下降法 (Gradient Descent)」，
這邊就已經介紹完了XDD，梯度就是指「loss的偏微分」，下降就是「找谷底」。
「loss的偏微分」：y是「loss值」，偏微的對象x是所有模型內的參數(「parameter」)，
可以參考更上方的二維圖：「y反應loss值的大小，而x反應的是參數所在位置。」
而上圖中的點也可以注意他的變化：「該走快時走很快，該走慢時走很慢，且走的方向很正確。」

我們似乎找到了一個非常好的方法，
他能幫我們找到合適的步長(「step size」)與要前進的方向(direction)，
但這樣就沒有問題了嗎?

以經驗來說，ML的種種問題集之中，我們所能建的loss表面，
這個算法通常會花費較多的時間，可能會找到次小值而非最小值，甚至是沒有完成。

自己的註：

• 「「花費較多的時間」」：「梯度下降法 (Gradient Descent)」相對比較新的算法來說，確實較慢，但並非不能用(下面也有提到XD)
• 「「找到次小值而非最小值」」：這確實是常見問題，我們可以想像等高線上有很多山谷，我們從找到第一個點時，就會開始往一個山谷的谷底直直前進。然而，如果這個山谷不是全部山谷最深的，那我們就找不到最深的山谷。不過目前也已經有新方法能解決這個搜索的問題。
• 「「沒有完成」」：有時候花費時間太長，而且特別是在接近底部的時候，可以想像一個問題，我們在做「y = 1/x」的畫圖時，那種趨近x軸卻永遠碰不到x軸的感覺(y無限接近0, x無限增加)，收斂的感覺也很像這樣，一直無限接近，但遲遲沒有到。

但「梯度下降法 (Gradient Descent)」仍然是一個常被使用的方法，
這也表示像上述可能會出現問題的資料集，我們往往很少會碰到。

本文同步發佈在: 第 11 屆 iT 邦幫忙鐵人賽
【Day 21】 Google ML - Lesson 7 - 梯度下降法 (Gradient Descent)介紹,使用「梯度下降法」決定ML模型中參數修正的「方向」與「步長(step size)」

參考資料

• coursera - Launching into Machine Learning 課程

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