原文：http://www.zhihu.com/question/20822481
相同
1.本质相同：两种方法都是在给定已知数据（independent & dependent variables）的前提下对dependent variables算出出一个一般性的估值函数。然后对给定新数据的dependent variables进行估算。
2.目标相同：都是在已知数据的框架内，使得估算值与实际值的总平方差尽量更小（事实上未必一定要使用平方），估算值与实际值的总平方差的公式为：
其中
为第i组数据的independent variable，
为第i组数据的dependent variable，
为系数向量。
不同
1.实现方法和结果不同：最小二乘法是直接对
求导找出全局最小，是非迭代法。而梯度下降法是一种迭代法，先给定一个，然后向下降最快的方向调整，在若干次迭代之后找到局部最小。梯度下降法的缺点是到最小点的时候收敛速度变慢，并且对初始点的选择极为敏感，其改进大多是在这两方面下功夫。
同意上面的说法, 稍微再补充一下. 看问题估计, 题主可能是在学 machine learning 的东西, 所以才会有此问题. 但正如其他人指出的, 其实两种方法并不太具有可比性. 不过我当时在学的时候也有类似的问题. 当时我的问题是, 最小二乘法的矩阵解法和梯度下降法的区别在哪里? 我估摸着题主可能是想问这个问题, 所以稍微回答一下. 如果我理解错了, 直接忽视下文即可.
其实, 在计算量方面, 两者有很大的不同, 因而在面对给定的问题时, 可以有选择性的根据问题的性质选择两种方法中的一个.
具体来说, 最小二乘法的矩阵公式是 
, 这里的 A 是一个矩阵, b 是一个向量. 如果有离散数据点, 
, 而想要拟合的方程又大致形如 
, 那么, A 就是一个 
的矩阵, 第 i 行的数据点分别是 
, 而 b 则是一个向量, 其值为 
. 而又已知, 计算一个矩阵的逆是相当耗费时间的, 而且求逆也会存在数值不稳定的情况 (比如对希尔伯特矩阵求逆就几乎是不可能的). 因而这样的计算方法有时不值得提倡.
相比之下, 梯度下降法虽然有一些弊端, 迭代的次数可能也比较高, 但是相对来说计算量并不是特别大. 而且, 在最小二乘法这个问题上, 收敛性有保证. 故在大数据量的时候, 反而是梯度下降法 (其实应该是其他一些更好的迭代方法) 更加值得被使用.
当然, 其实梯度下降法还有别的其他用处, 比如其他找极值问题. 另外, 牛顿法也是一种不错的方法, 迭代收敛速度快于梯度下降法, 只是计算代价也比较高. 题主有兴趣可以查阅相关资料
最小二乘法的目标：求误差的最小平方和，对应有两种：线性和非线性。线性最小二乘的解是closed-form即
，而非线性最小二乘没有closed-form，通常用迭代法求解。
迭代法，即在每一步update未知量逐渐逼近解，可以用于各种各样的问题（包括最小二乘），比如求的不是误差的最小平方和而是最小立方和。
梯度下降是迭代法的一种，可以用于求解最小二乘问题（线性和非线性都可以）。高斯-牛顿法是另一种经常用于求解非线性最小二乘的迭代法（一定程度上可视为标准非线性最小二乘求解方法）。
还有一种叫做Levenberg-Marquardt的迭代法用于求解非线性最小二乘问题，就结合了梯度下降和高斯-牛顿法。
所以如果把最小二乘看做是优化问题的话，那么梯度下降是求解方法的一种，是求解线性最小二乘的一种，高斯-牛顿法和Levenberg-Marquardt则能用于求解非线性最小二乘。
具体可参考维基百科（Least squares, Gradient descent, Gauss-Newton algorithm, Levenberg-Marquardt algorithm）
梯度下降算法对局部极值敏感，但是对于线性回归问题只有整体极值，没有局部极值，所以在这种情况下，算法总是收敛的。
对于随机梯度下降算法，其收敛速度要快于批量梯度下降算法，但是它在最小值附近震荡的幅度较大，所以可能不会收敛于true minimum[1]。