从动力学角度看优化算法：自适应学习率算法
作者丨苏剑林
单位丨广州火焰信息科技有限公司
研究方向丨NLP，神经网络
个人主页丨kexue.fm
在从动力学角度看优化算法SGD：一些小启示一文中，我们提出 SGD 优化算法跟常微分方程（ODE）的数值解法其实是对应的，由此还可以很自然地分析 SGD 算法的收敛性质、动量加速的原理等等内容。
在这篇文章中，我们继续沿着这个思路，去理解优化算法中的自适应学习率算法。
RMSprop
首先，我们看一个非常经典的自适应学习率优化算法：RMSprop。RMSprop 虽然不是最早提出的自适应学习率的优化算法，但是它却是相当实用的一种，它是诸如 Adam 这样更综合的算法的基石，通过它我们可以观察自适应学习率的优化算法是怎么做的。
算法概览
一般的梯度下降是这样的：
很明显，这里的 γ 是一个超参数，便是学习率，它可能需要在不同阶段做不同的调整。而 RMSprop 则是：
算法分析
对比朴素的 SGD，可以发现 RMSprop 在对 θ 的更新中，将原来是标量的学习率 γ，换成了一个向量。
如果把这个向量也看成是学习率，那么 RMSprop 就是找到了一个方案，能够给参数的每个分量分配不同的学习率。
这个学习率的调节，是通过因子
自适应学习率
为什么用梯度大小可以来调节学习率呢？其实这个思想非常朴素。
极小值点和ODE
话不多说，简单起见，我们先从一个一维例子出发：假设我们要求 L(θ) 的一个极小值点，那么我们引入一个虚拟的时间参数 t，转化为 ODE：
不难判断，L(θ) 的一个极小值点就是这个方程的稳定的不动点，我们从任意的 θ0 出发，数值求解这个 ODE，可以期望它最终会收敛于这个不动点，从而也就得到了一个极小值点。
最简单的欧拉解法，就是用
也就是：
这就是梯度下降法了，θt+γ 相当于 θn+1，而 θt 相当于 θn，也就是每步前进 γ 那么多。
变学习率思想
问题是，γ 选多少为好呢？当然，从“用
所以，最恰当的方案是：每一步够用就好。可是我们怎么知道够用了没有？
因为我们是用
在我们这里有
可以期望，当 γ 比较小的时候，误差项
其中 γ̃ 是一个常数，甚至只需要简单地 γ∣L′(θt)∣=γ̃（暂时忽略 L′(θt)=0 的可能性，先观察整体的核心思想），也就是：
这样我们就通过梯度来调节了学习率。
滑动平均处理
读者可能会诟病，把 γ=γ̃/∣L′(θt)∣ 代入原来的迭代结果，不就是：
整个梯度你只用了它的符号信息，这是不是太浪费了？过于平凡：也就是不管梯度大小如何，每次迭代 θ 都只是移动固定的长度。
注意，从解 ODE 的角度看，其实这并没有毛病，因为 ODE 的解是一条轨迹 (t,θ(t))，上面这样处理，虽然 θ 变得平凡了，但是 t 却变得不平凡了，也就是相当于 t,θ 的地位交换了，因此还是合理的。
只不过，如果关心的是优化问题，也就是求 L(θ) 的极小值点的话，那么上式确实有点平凡了，因为如果每次迭代 θ 都只是移动固定的长度，那就有点像网格搜索了，太低效。
所以，为了改善这种不平凡的情况，又为了保留用梯度调节学习率的特征，我们可以把梯度平均一下，结果就是：
这个 λ 是一个接近于 1 但是小于 1 的常数，这样的话 Gt 在一定范围内就比较稳定，同时在一定程度上保留了梯度 L′(θt) 本身的特性，所以用它来调节学习率算是一个比较“机智”的做法。为了避免 t+γ̃,t+γ 引起记号上的不适应，统一用 n,n+1 来表示下标，得到：
这就是开头说的 RMSprop 算法了。
高维情形分析
上面的讨论都是一维的情况，如果是多维情况，那怎么推广呢？
也许读者觉得很简单：把标量换成向量不就行了么？并没有这么简单，因为 (13) 推广到高维，至少有两种合理的选择：
或：
前者用梯度的总模长来累积，最终保持了学习率的标量性；后者将梯度的每个分量分别累积，这种情况下调节后的学习率就变成了一个向量，相当于给每个参数都分配不同的学习率。要是从严格理论分析的角度来，其实第一种做法更加严密，但是从实验效果来看，却是第二种更为有效。
我们平时所说的 RMSprop 算法，都是指后者 (15)。但是有很多喜欢纯 SGD 炼丹的朋友会诟病这种向量化的学习率实际上改变了梯度的方向，导致梯度不准，最终效果不够好。所以不喜欢向量化学习率的读者，不妨试验一下前者。
结论汇总
本文再次从 ODE 的角度分析了优化算法，这次是从误差控制的角度给出了一种自适应学习率算法（RMSprop）的理解。至于我们更常用的 Adam，则是 RMSprop 与动量加速的结合，这里就不赘述了。
将优化问题视为一个常微分方程的求解问题，这其实就是将优化问题变成了一个动力学问题，这样可以让我们从比较物理的视角去理解优化算法（哪怕只是直观而不严密的理解），甚至可以把一些 ODE 的理论结果拿过来用，后面笔者会试图再举一些这样的例子。
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