matlab实现梯度下降法(Gradient Descent)的一个例子

　　在此记录使用matlab作梯度下降法(GD)求函数极值的一个例子：

　　问题设定：

　　1. 我们有一个$n$个数据点，每个数据点是一个$d$维的向量，向量组成一个data矩阵$\mathbf{X}\in \mathbb{R}^{n\times d}$，这是我们的输入特征矩阵。

　　2. 我们有一个响应的响应向量$\mathbf{y}\in \mathbb{R}^n$。

　　3. 我们将使用线性模型来fit上述数据。因此我们将优化问题形式化成如下形式：$$\arg\min_{\mathbf{w}}f(\mathbf{w})=\frac{1}{n}\|\mathbf{y}-\mathbf{\overline{X}}\mathbf{w}\|_2^2$$

　　其中$\mathbf{\overline{X}}=(\mathbf{1,X})\in \mathbb{R}^{n\times (d+1)}$ and $\mathbf{w}=(w_0,w_1,...,w_d)^\top\in \mathbb{R}^{d+1}$

　　显然这是一个回归问题，我们的目标从通俗意义上讲就是寻找合适的权重向量$\mathbf{w}$，使得线性模型能够拟合的更好。

　　预处理：

　　1. 按列对数据矩阵进行最大最小归一化，该操作能够加快梯度下降的速度，同时保证了输入的数值都在0和1之间。$\mathbf{x}_i$为$\mathbf{X}$的第i列。 $$z_{ij}\leftarrow \frac{x_{ij}-\min(\mathbf{x}_i)}{\max(\mathbf{x}_i)-\min(\mathbf{x}_i)}$$

　　这样我们的优化问题得到了转化:$$\arg\min_{\mathbf{u}}g(\mathbf{w})=\frac{1}{n}\|\mathbf{y}-\mathbf{\overline{Z}}\mathbf{u}\|_2^2$$

　　2. 考虑对目标函数的Lipschitz constants进行估计。因为我们使用线性回归模型，Lipschitz constants可以方便求得，这样便于我们在梯度下降法是选择合适的步长。假如非线性模型，可能要用其他方法进行估计（可选）。

　　问题解决：

　　使用梯度下降法进行问题解决，算法如下：

　　我们可以看到，这里涉及到求目标函数$f$对$\mathbf{x}_k$的梯度。显然在这里，因为是线性模型，梯度的求解十分的简单：$$\nabla f(\mathbf{x}_k)=-\frac{2}{n}\mathbf{\overline{X}}^\top(\mathbf{y}-\mathbf{\overline{X}}\mathbf{u}_k)$$

　　进行思考，还有没有其他办法可以把这个梯度给弄出来？假如使用Tensorflow，Pytorch这样可以自动保存计算图的东东，那么梯度是可以由机器自动求出来的。当然在这里我是用matlab实现，暂时没有发现这样的利器，所以我认为假如在这里想求出梯度，那么我们必须要把梯度的闭式解搞出来，不然没法继续进行。

　　下面是一段matlab的代码：　　

function [g_result,u_result] = GD(N_Z,y,alpha,u0)
%GD 梯度下降法
%   Detailed explanation goes here
[n,~] = size(N_Z);
u = u0;
k = 0;
t = y-N_Z*u;
disp("g(u):");
while(合理的终止条件)
    k = k + 1;
    u = u - alpha * (-2/n)*N_Z'*t;
    t = y-N_Z*u;
    if(mod(k,10)==0)
        disp(t'*t/n);
    end
end
g_result = (y-N_Z * u)' * (y-N_Z * u)/n;
u_result = u;
end

　　当然假如初始化的时候$u_0$选择不当，而且因为没有正则项，以上的算法将会有很大的问题：梯度消失，导致优化到最后的时候非常慢。我花了好多个小时才将loss讲到0.19左右，而闭式解法能够使得loss为0.06几，运行时间也不会难以忍受。

　　问题推广：

　　在这里，我们的问题是线性模型，回归问题。能否有更广的应用？思考后认为，只要需要优化的目标是标量，且该目标函数对输入向量的梯度容易求得即可。只是因为该算法简单朴素，可能在实际应用的时候会碰见恼人的梯度消失问题。