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我的机器学习微积分篇观点函数从极限到导数导数的应用偏导数从方向导数到梯度

观点 与机器学习相关的微积分的核心问题是极值问题 核心技能是偏导数和梯度 函数 定义如下: 对数集A施加一个对应的映射f,记做:f(A)得到数集B,记为函数:B=f(A) 这是我们中学学的最多的...,常用的函数有: ?...image.png 函数极限 与数列不同的是函数可以取在某个点的极限,即左极限和右极限(一元函数), 假如再高元函数在某个点的极限为面,空间、、、后面常见的三元函数的在某一点的方向导数(导数即为极限...image.png 导数的应用 1 通过函数的导数的值,可以判断出函数的单调性、驻点以及极值点: 若导数大于0,则单调递增;若导数小于0,则单调递减;导数等于零d 的点为函数驻点...image.png 偏导数 一元函数为导数,多元为偏导数,把其他变量当做常量求导 ? image.png 高阶偏导 ?

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    梯度下降及其优化

    对于二元函数而言,设函数 在平面区域 内具有一阶连续偏导数,则对于没一点 ,都可以给出一个向量 这个向量称为函数 在点 的梯度,记作 ,或符号 ,即 需要说明的是,...由此可见,方向导数就是梯度在 上的投影,当方向 与梯度方向一致时,有 从而方向导数有最大值。所以,沿着梯度方向的方向导数达到最大值,也就是说梯度方向是函数 在这点增长最快的方向。...有时我们通过计算,选择使用方向导数消失的步长。还有一种方法是根据几个 计算 ,并选择其中能产生最小目标函数值的 。这种策略称为在线搜索。...三、Jacobian和Hessian函数有时我们需要计算输入和输出都为向量的函数的所有偏导数。包含所有这样的偏导数的矩阵被称为Jacobian矩阵。...例如,有一个函数 , 的一阶导数(关于 )关于 的导数记为 。在一维情况下,可以将 为 。二阶导数告诉我们,一阶导数将如何随着输入的变化而变化。

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    用matlab求二元函数的极限_matlab求极大值

    求在上的最大值和最小值的一般步骤为: 步骤1. 计算在内所有驻点处的函数值; 步骤2. 计算在的各个边界线上的最大值和最小值; 步骤3. 将上述各函数值进行比较,最终确定出在内的最大值和最小值。...3.函数求偏导数的MATLAB命令 MATLAB中主要用diff求函数的偏导数,用jacobian求Jacobian矩阵。 ? ? diff(f,x,n)? 求函数f关于自变量x的n阶导数。...求函数的极值点和极值. 首先用diff命令求z关于x,y的偏导数 >>clear;?...例2 求函数在条件下的极值..构造Lagrange函数 求Lagrange函数的自由极值.先求关于的一阶偏导数 >>clear; syms x y k >>l=x*y+k*(x+y-1); >>diff...这个问题实际上就是求函数 在条件及下的最大值和最小值问题.构造Lagrange函数 求Lagrange函数的自由极值.先求关于的一阶偏导数 >>clear; syms x y z u v >>l=x^2

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    梯度下降算法

    本篇介绍求解最优化问题的一种数值算法-- 梯度下降算法。 在微积分中我们学过,沿着梯度grad(f)方向,函数f的方向导数有最大值。...此例中二元函数为: z(x,y)= x**2 + 2*y**2 +2*x*y +4*x - 16*y +10 下面我们先利用python的符号计算模块sympy来计算它的理论最小值: from sympy...import * x, y = symbols("x y")#创建符号变量x和y z = x**2 + 2*y**2 +2*x*y +4*x - 16*y +10 print("z对x的一阶偏导数:"...,diff(z,x)) print("z对x的二阶偏导数:",diff(z,x,2)) print("z对y的一阶偏导数:",diff(z,y)) print("z对y的二阶偏导数:",diff(z,y...,end ="\n\n") 结果如下: z对x的一阶偏导数: 2*x + 2*y + 4 z对x的二阶偏导数: 2 z对y的一阶偏导数: 2*x + 4*y - 16 z对y的二阶偏导数: 4 两个二阶偏导数都为正

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    【数学基础篇】---详解极限与微分学与Jensen 不等式

    导数是对函数进行线性逼近,高阶导数是对导数函数的进一步逼 近,因为没有更好的办法,所以数学家选择继续使用线性逼近.  Example (初等函数的导数) ? 2、微分学:多元函数 ?...且 Lx, Ly 分别是 f 在 x, y 方向上的偏导数. 一般记为 ? 3、Definition (高阶偏导数) ? 并且二阶偏导数为 ? 4、Example (偏导数的例子) ? ? ?...6.总结 微分学的核心思想是逼近. 一阶导数:线性逼近 二阶导数:二次逼近 导数计算:求导法则 四、泰勒级数 1、泰勒/迈克劳林级数: 多项式逼近。 ? 2、泰勒级数: 例子 ?...x0 数学原理:牛顿法使用二阶逼近(等价于使用二阶泰勒级数),梯度下降法使用一阶逼近 牛顿法对局部凸的函数找到极小值,对局部凹的函数找到极 大值,对局部不凸不凹的可能会找到鞍点....梯度下降法一般不会找到最大值,但是同样可能会找到鞍 点. 当初始值选取合理的情况下,牛顿法比梯度下降法收敛速度 快.

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    机器学习数学笔记|微积分梯度 jensen 不等式

    Taylor 展开及其应用 常见概率分布和推导 指数族分布 共轭分布 统计量 矩估计和最大似然估计 区间估计 Jacobi 矩阵 矩阵乘法 矩阵分解 RQ 和 SVD 对称矩阵 凸优化 微积分与梯度 常数 e 的计算过程...对于方向导数我们也可以视为 方向导数顾名思义既是复合函数在某一方向上的导数,表示函数在某一方向上的变化趋势。...当在某一方向上的方向导数最大时,即是梯度 当 时,这是方向导数取最大值,即是梯度 对于梯度我们有 方向导数是各个方向上的导数 偏导数连续才有梯度存在 梯度的方向是方向导数中取到最大值的方向,梯度的值是方向导数的最大值...一阶可微 简而言之,即是函数如果是一个凸函数,且一阶可微,则过函数任意一点做函数的切线,函数的切线永远在函数的下方. ? 二阶可微 ? 凸函数举例 ?...当只有 x,y 两个参数,即是使用 基本 Jensen 不等式 ,然而当推广到 k 个参数时, 即是表示参数的线性加权的函数值总要小于函数值的线性加权.

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    (4.5)James Stewart Calculus 5th Edition:Summary of Curve Sketching

    (A)Domain, 定义域 注意范围和特殊情况 (B)Intercepts, 截距 注意x=0,和y=0 的两条线,和对应的值 (C)Symmetry, 对称 奇函数 偶函数 周期函数 (D)Asymptotes...or Decrease, 区间递增,递减 注意 f' ,对应的导数的正负 (F)Local Maximum and Minimum Values, 局部最大值,最小值 注意 critical numbers...临界点 (f'(x) =0, 或者 不存在) 如果 在临界点c上 f'(x) 先正再负, 则有 最大值 如果 在临界点c上 f'(x) 先负再正, 则有 最小值 特别注意:在点c的一阶求导 = 0,...有上面的导数结果,容易看出,只有 f(0) 这一个临界点 并且, 拐点的导数值 是 从正到负, 所有 有局部最大值 (G)Concavity and Points of Inflection,...通过计算,我们可以知道,是 Slant Asymptotes 偏渐近线 对应的 偏渐近线的方程为 y = x (E)Intervals of Increase or Decrease, 区间递增,递减

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    Canny边缘检测算法原理及其VC实现详解(一)

    图象的边缘是指图象局部区域亮度变化显著的部分,该区域的灰度剖面一般可以看作是一个阶跃,既从一个灰度值在很小的缓冲区域内急剧变化到另一个灰度相差较大的灰度值。...这就使得在边缘检测中首先要进行的工作是滤波。 1)滤波:边缘检测的算法主要是基于图像强度的一阶和二阶导数,但导数通常对噪声很敏感,因此必须采用滤波器来改善与噪声有关的边缘检测器的性能。...2.3 用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向 关于图像灰度值得梯度可使用一阶有限差分来进行近似,这样就可以得图像在x和y方向上偏导数的两个矩阵。...常用的梯度算子有如下几种: 1)Roberts算子 上式为其x和y方向偏导数计算模板,可用数学公式表达其每个点的梯度幅值为: 2)Sobel算子 上式三个矩阵分别为该算子的x向卷积模板、y...4)Canny算法所采用的方法 在本文实现的Canny算法中所采用的卷积算子比较简单,表达如下: 其x向、y向的一阶偏导数矩阵,梯度幅值以及梯度方向的数学表达式为: 求出这几个矩阵后,

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    「Deep Learning」读书系列分享第四章:数值计算 | 分享总结

    在单变量系统里面,我们只需要求一个输入的导数;但是在多变量的系统里面,有很多的输入,就有一个偏导数的概念,假定其它的变量固定、系统对其中的某一个变量求导的话,就称之为关于这个变量的偏导数。...把所有的变量的偏导数求出来,并用向量的形式表示出来,可以表示成这个形式。...首先我们要求它的偏导数,∂J(θ)/∂θj,它表示一个方向,然后沿着这个方向更新那个变量。...其实二阶导数对于系统的分析也是非常有用的。 看一下这几个简单的例子。我们知道一阶导数的意义表示的是f(x)的变化,二阶导数的意义就是一阶导数的变化情况。...下面我介绍两个方法,一个是仅仅用了一阶导数的、我们前面提到的gradient descent;另一个是牛顿方法,这是用到二阶导数的方法。

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    图像边缘检测--OpenCV之cvCanny函数

    /Cv%E5%9B%BE%E5%83%8F%E5%A4%84%E7%90%86#Canny 说明:OpenCV中cvCanny函数用到了cvSobel的差分计算。...这就使得在边缘检测中首先要进行的工作是滤波。         1)滤波:边缘检测的算法主要是基于图像强度的一阶和二阶导数,但导数通常对噪声很敏感,因此必须采用滤波器来改善与噪声有关的边缘检测器的性能。...2.3 用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向         关于图像灰度值得梯度可使用一阶有限差分来进行近似,这样就可以得图像在x和y方向上偏导数的两个矩阵。...常用的梯度算子有如下几种:         1)Roberts算子         上式为其x和y方向偏导数计算模板,可用数学公式表达其每个点的梯度幅值为:         2)Sobel算子        ...4)Canny算法所采用的方法         在本文实现的Canny算法中所采用的卷积算子比较简单,表达如下:         其x向、y向的一阶偏导数矩阵,梯度幅值以及梯度方向的数学表达式为:

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    数值计算——「Deep Learning」读书系列分享第四章分享总结

    在单变量系统里面,我们只需要求一个输入的导数;但是在多变量的系统里面,有很多的输入,就有一个偏导数的概念,假定其它的变量固定、系统对其中的某一个变量求导的话,就称之为关于这个变量的偏导数。 ?...把所有的变量的偏导数求出来,并用向量的形式表示出来,可以表示成这个形式。...首先我们要求它的偏导数,∂J(θ)/∂θj,它表示一个方向,然后沿着这个方向更新那个变量。...其实二阶导数对于系统的分析也是非常有用的。 ? 看一下这几个简单的例子。我们知道一阶导数的意义表示的是 f(x) 的变化,二阶导数的意义就是一阶导数的变化情况。...下面我介绍两个方法,一个是仅仅用了一阶导数的、我们前面提到的 gradient descent;另一个是牛顿方法,这是用到二阶导数的方法。

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    Wolfram|Alpha自然语言帮你做计算系列(03):具体、抽象函数、隐函数、参数方程求导与方向导数计算

    导数与微分是微积分内容的基础,就计算来说一元函数与多元函数的导数的计算思想一致. 不管是一元函数还是多元函数,导数、偏导数的计算都是将函数视为求导变量的一元函数求导数。...微分在描述形式略有区别,但是其计算方法还是一样,只不过多元函数需要多计算几个导数而已. 本文将以具体实例形式,介绍线上计算具体、抽象函数的导数(偏导数)、微分与多元函数方向导数的计算方法....image.png 2、一元、多元函数高阶导数的计算 image.png ? image.png ? 3、抽象复合函数的一阶、高阶导数计算 将上面具体函数求导的函数表达式换成抽象函数即可....除了得到一阶导数结果外,当然还会显示一阶导函数很多各种相关的描述....当然以上计算也可以直接依据求偏导数与方向导数计算公式,逐步计算代入得到结果.

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    Jacobin和Hessian矩阵

    有时我们需要计算输入和输出都为向量和函数的所有偏导数。包含所有这样的偏导数的矩阵被称为Jacobian矩阵。具体来说,如果我们有一个函数 , 的Jacobian矩阵 定义为 。...有时,我们也对导数的导数感兴趣,即二阶导数(second derivative)。例如,有一个函数 , 的一阶导数(关于 )关于 的导数记为 为 。...二阶导数告诉我们,一阶导数(关于 )关于 的导数记为 。在一维情况下,我们可以将 为 。二阶导数告诉我们,一阶导数如何随着输入的变化而改变。...我们使用沿负梯度方向下降代销为 的下降步,当该梯度是1时,代价函数将下降 。如果二阶导数是正的,函数曲线是向上凹陷的(向下凸出的),因此代价函数将下降得比 少。...当Hessian的条件数很差时,梯度下降法也会表现得很差。这是因为一个方向上的导数增加得很快,而在另一个方向上增加得很慢。

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    详述深度学习中优化算法的演变

    深度学习模型的目标函数可能有若干局部最优值 鞍点和海森矩阵 区别于驻点,驻点是导数为0且能取到极值的解,而鞍点是一阶二阶导数都为0的点,比如,它在上不是极值点,但它在0上的一阶导为0,这样的点成为鞍点,...这样目标函数在x轴方向上是局部最小值,但在y轴方向上是局部最大值,但是它的对x的偏导(梯度)和对y的偏导都为0,那怎么判断是鞍点还是极值点呢,即如何求出并判断出二维函数的极值呢,可由二阶泰勒公式进行推导...,满足混合偏导数相等 它的结论很重要,结论是 由随机过程中的一些理论可以知道,当一个高维的随机矩阵中,特征值为正和为负的概率都是均等的,所以全为正和全为负的概率其实很小,尤其是目标函数参数很多的情况,...小批量随机梯度下降 这又是一个折中的方案,它是在每轮迭代中随机均匀采样多个样本来组成一个小批量,然后使用这个小批量来计算梯度,假设当前迭代次数为k,则有 以下都用代替,表明是向量 这里也是的无偏估计...当批量较大时,每个小批量梯度里可能含有更多的冗余信息 动量法 梯度下降算法有个问题,仅仅是利用了损失目标函数叜在当前自变量下减少最快的方向,如果一个函数有两个自变量,在某一个自变量方向上的导数大而在另一个自变量方向上的导数相对很小

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    Canny检测的Matlab实现(含代码)

    : Canny边缘检测算法步骤: 步骤详解 步骤1:用高斯滤波器平滑处理原图像 步骤2:用一阶偏导的有限差分进行计算梯度的幅值和方向 步骤3:对梯度幅值进行非极大值抑制 步骤4:用双阈值算法检测和连接边缘...Canny边缘检测算法步骤: 步骤1:用高斯滤波器平滑处理原图像; 步骤2:用一阶偏导的有限差分进行计算梯度的幅值和方向; 步骤3:对梯度幅值进行非极大值抑制; 步骤4:用双阈值算法检测和连接边缘...使用平滑滤波的原因从根本上来说是边缘检测算子中的导数计算。导数计算对噪声十分敏感,如果不提前使用滤波器加以改善,则在导数计算后,噪声将会被放大,使得检测出来的虚假边缘变多,不利于边缘的提取。...步骤2:用一阶偏导的有限差分进行计算梯度的幅值和方向 图像的边缘有方向和幅度两个属性,沿边缘方向像素变化平缓,垂直于边缘方向像素变化剧烈,边缘上的这种变化可以用微分算子检测出来,通常用一阶或二阶导数来检测边缘...用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向。 ? 下图中,图a经过梯度计算后的得到梯度三维示意图b。图b中x和y代表图像像素位置,竖轴的数值反映了梯度幅值的大小。

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    Canny检测的Matlab实现(含代码)「建议收藏」

    Canny边缘检测基本特征如下: Canny边缘检测算法步骤: 步骤详解 步骤1:用高斯滤波器平滑处理原图像 步骤2:用一阶偏导的有限差分进行计算梯度的幅值和方向 步骤3:对梯度幅值进行非极大值抑制...步骤详解 步骤1:用高斯滤波器平滑处理原图像 使用平滑滤波的原因从根本上来说是边缘检测算子中的导数计算。...导数计算对噪声十分敏感,如果不提前使用滤波器加以改善,则在导数计算后,噪声将会被放大,使得检测出来的虚假边缘变多,不利于边缘的提取。 平滑滤波和边缘检测是一对矛盾的概念。...步骤2:用一阶偏导的有限差分进行计算梯度的幅值和方向 图像的边缘有方向和幅度两个属性,沿边缘方向像素变化平缓,垂直于边缘方向像素变化剧烈,边缘上的这种变化可以用微分算子检测出来,通常用一阶或二阶导数来检测边缘...用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向。 下图中,图a经过梯度计算后的得到梯度三维示意图b。图b中x和y代表图像像素位置,竖轴的数值反映了梯度幅值的大小。

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    最新训练神经网络的五大算法

    我们可以把两部分参数合并为一个n维的权重向量,记为w。下图是损失函数f(w)的图示。   如上图所示,w*是损失函数的最小值。在空间内任意选择一个点A,我们都能计算得到损失函数的一阶、二阶导数。...一阶导数可以表示为一个向量:   ᐁif(w) = df/dwi (i = 1,…,n)   同样的,损失函数的二阶导数可以表示为海森矩阵( Hessian Matrix ):   Hi,jf(w) =...此算法的目标是使用损失函数的二阶偏导数寻找更好的学习方向。   我们定义f(wi) = fi, ᐁf(wi) = gi and Hf(wi) = Hi。...值得注意的是,如果海森矩阵是一个非正定矩阵,那么参数有可能朝着最大值的方向移动,而不是最小值的方向。因此损失函数值并不能保证在每次迭代都减小。...该近似值仅使用损失函数的一阶导数的信息来计算。 Hessian矩阵由损失函数的二阶偏导数组成。拟牛顿法背后的主要思想是仅使用损失函数的一阶偏导数,通过另一矩阵G得到近似Hessian矩阵的逆。

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    暑期追剧学AI | 十分钟搞定机器学习中的数学思维(二)

    2.我们将定义一个误差函数,绘制一张关系图,表示函数中所有可能的误差值和所有可能的权重值之间的关系。从图上我们可以看到一个最低谷,即最小值。 3.我们利用误差函数帮助计算个权值的偏导,从而得出梯度。...二阶优化法简介 还有一类方法,不过它们没有被广泛使用,我们称之为二阶优化法。这类方法要求我们计算二阶导数。一阶导数告诉我们,函数在某一点上是趋于增加还是减少。二阶导数则告诉我们,一阶导数的增减情况。...但是有两点不同,我们将一阶导数替换成梯度,将二阶导数替换成海森矩阵,海森矩阵是一个标量的二阶偏导数的矩阵,用来描述多元函数的局部曲率。...二阶法适用范围 通常一阶方法的计算量和耗时比较少,当计算大型数据集时一阶收敛非常快,当二阶导数已知并且很容易计算的时候,二阶方法会更快。 但是二阶导数通常很难算,需要极大的计算量。...针对你遇到的具体问题,试用不同的优化技巧,才是解决问题的最佳办法,有几个关键点需要记住: 一阶优化法使用的是函数的一阶导数求其最小值; 而二阶优化法则使用二阶导数; 雅可比矩阵是一阶偏导数的矩阵; 而海森矩阵是二阶偏导数的矩阵

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