自适应矩估计Adam优化算法

Adam算法

Adam算法直观上其实是RMSProp算法和Momentum算法的加和,即Adam = RMSProp + Momentum,因为其思想采用了使用过去的累加动量和梯度。

  • 公式
    v_{t} = \beta_1 v_{t-1} + (1 - \beta_1) \bigtriangledown_\theta J(\theta)
    s_{t} = \beta_2 s_{t-1} + (1 - \beta_2)\bigtriangledown_\theta J(\theta) * \bigtriangledown_\theta J(\theta)
    \hat{v_t} = \frac{v_t}{1 - \beta_1^t}
    \hat{s_t} = \frac{s_t}{1 - \beta_1^t}
    \theta = \theta - \frac{\eta}{\sqrt{\hat{s_{t}} + \epsilon}} *\hat{v_t}

一般设置\beta_1 = 0.9\beta_2 = 0.999v_t就相当于动量法,是一阶梯度矩阵,s_t相当于RMSProp法,是二阶梯度矩阵,\hat{v_t}\hat{s_t}分别是对原始值的偏差修正。采用偏差矫正的原因是因为采用移动指数平均方法并且在v_0s_0初始值都为0向量,所以在刚开始阶段如果不进行修正,算法会给梯度分配很小的权重,得到不真实的结果

  • 偏差矫正的直观感受
    v_0 = 0s_t = 0\beta_1 = 0.9\beta_2 = 0.999,那么公式就变成v_1 = 0.9 * 0 + 0.1 * \bigtriangledown_\theta J(\theta) = 0.1 * \bigtriangledown_\theta J(\theta) s_1 = 0.999 * 0 + 0.001 * \bigtriangledown_\theta J(\theta) * \bigtriangledown_\theta J(\theta) = 000.1 * \bigtriangledown_\theta J(\theta) * \bigtriangledown_\theta J(\theta)
    可以看到,原本的一阶梯度和二阶梯度由于\beta_1\beta_2的作用权重比原来小了很多,如果想要使得梯度发挥更大的作用,就要进行修正。

  • 偏差矫正的严格推导
    由于:v_{t} = \beta_1 v_{t-1} + (1 - \beta_1) \bigtriangledown_\theta J(\theta)
    将时间放到t步后:v_t = (1 - \beta_1) \sum_{i = 1}^{t} \beta_1^{t - i} \bigtriangledown_\theta J(\theta)_i
    又因为等比数列的前t项和:v_t = (1 - \beta_1) (\beta_1^0 * \frac{1 - \beta_1^t}{1 - \beta_1} )\sum_{i = 1}^{t} \bigtriangledown_\theta J(\theta)_i = (1-\beta^t) \sum_{i = 1}^{t}\bigtriangledown_\theta J(\theta)_i
    所以有如下公式,同理可证s_t\hat{v_t} = \frac{v_t}{1 - \beta_1^t} \hat{s_t} = \frac{s_t}{1 - \beta_2^t}

  • 代码

first_moment = 0
second_moment = 0
while True:
    dx = compute_gradient(x)
    first_moment = beta1 * first_moment + (1 - beta1) * dx
    second_moment = beta2 * second_moment + (1 - beta2) * dx * dx
    
    first_unbias = first_moment / ( 1 - beta1**t)
    second_unbias = second_moment / ( 1 - beta2**t)

    x -= learning_rate * first_unbias / (np.sqrt(second_unbias) + 1e-7)
  • 优点:
    考虑动量、考虑自适应、进行修正、快速到达最小点。
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