重新发现梯度下降法--backtracking line search

一直以为梯度下降很简单的，结果最近发现我写的一个梯度下降特别慢，后来终于找到原因：step size的选择很关键，有一种叫backtracking line search的梯度下降法就非常高效，该算法描述见下图：

下面用一个简单的例子来展示，给一个无约束优化问题：

minimize y = (x-3)*(x-3)

下面是python代码，比较两种方法

# -*- coding: cp936 -*-
#optimization test, y = (x-3)^2
from matplotlib.pyplot import figure, hold, plot, show, xlabel, ylabel, legend
def f(x):
        "The function we want to minimize"
        return (x-3)**2
def f_grad(x):
        "gradient of function f"
        return 2*(x-3)
x = 0
y = f(x)
err = 1.0
maxIter = 300
curve = [y]
it = 0
step = 0.1
#下面展示的是我之前用的方法，看上去貌似还挺合理的，但是很慢
while err > 1e-4 and it < maxIter:
    it += 1
    gradient = f_grad(x)
    new_x = x - gradient * step
    new_y = f(new_x)
    new_err = abs(new_y - y)
    if new_y > y: #如果出现divergence的迹象，就减小step size
        step *= 0.8
    err, x, y = new_err, new_x, new_y
    print ‘err:‘, err, ‘, y:‘, y
    curve.append(y)

print ‘iterations: ‘, it
figure(); hold(True); plot(curve, ‘r*-‘)
xlabel(‘iterations‘); ylabel(‘objective function value‘)

#下面展示的是backtracking line search，速度很快
x = 0
y = f(x)
err = 1.0
alpha = 0.25
beta = 0.8
curve2 = [y]
it = 0

while err > 1e-4 and it < maxIter:
    it += 1
    gradient = f_grad(x)
    step = 1.0
    while f(x - step * gradient) > y - alpha * step * gradient**2:
        step *= beta
    x = x - step * gradient
    new_y = f(x)
    err = y - new_y
    y = new_y
    print ‘err:‘, err, ‘, y:‘, y
    curve2.append(y)

print ‘iterations: ‘, it
plot(curve2, ‘bo-‘)
legend([‘gradient descent I used‘, ‘backtracking line search‘])
show()

运行结果如下图：

孰优孰劣，一目了然

我的方法用了25次迭代，而backtracking line search只用了6次。（而且之前我用的方法不一定会收敛的，比如你把第一种方法的stepsize改成1，就会发现，没有收敛到最优解就停止了，这是一个bug，要注意）

这只是个toy example，在我真实使用的优化问题上，两者的效率差别更加显著，估计有10倍的样子

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文章中截图来自：https://www.youtube.com/watch?v=nvZF-t2ltSM

（是cmu的优化课程）