（四）从零开始学人工智能—数学基础:导数

导数

导数(Derivative)的几何意义可能很多人都比较熟悉：当函数定义域和取值都在实数域中的时候，导数可以表示函数曲线上的切线斜率。除了切线的斜率，导数还可以表示该点的变化率。可以表示为

​ $$f^{\prime }(x_0)=\underset{\Delta x\to 0}{\lim }\frac{\Delta y}{\Delta x}=\underset{\Delta x\to 0}{\lim }\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}\text{\hspace{1em}(1)}$$

将上面的公式表示为图像如图

简单点说，导数代表了在自变量变化趋于无穷小的时候，函数的变化与自变量变化的比值就是导数，其几何意义是该点的切线，物理意义有该时刻的瞬时变化率。

例如：在物理学中有平均速度和瞬时速度之说。

平均速度为
$$v=\frac{s}{t}\text{\hspace{1em}(2)}$$
其中$v$表示平均速度，$s$表示路程，$t$表示时间。这个公式可以改写为
$$\bar{v}=\frac{\Delta s}{\Delta t}=\frac{s(t_0+\Delta t)-s(t_0)}{\Delta t}\text{\hspace{1em}(3)}$$
其中$\Delta s$表示两点之间的距离，而$\Delta t$表示走过这段距离需要花费的时间。当$\Delta t$趋向于0（$\Delta t\to 0$）时，也就是时间变得很短时，平均速度也就变成了在$t_0$时刻的瞬时速度，表示成如下形式：
$$v(t_0)=\underset{\Delta t\to 0}{\lim }\bar{v}=\underset{\Delta t\to 0}{\lim }\frac{\Delta s}{\Delta t}=\underset{\Delta t\to 0}{\lim }\frac{s(t_0+\Delta t)-s(t_0)}{\Delta t}\text{\hspace{1em}(4)}$$
实际上，上式表示的是路程$s$关于时间$t$的函数在$t=t_0$处的导数。一般的，这样定义导数：如果平均变化率的极限存在，即有
$$\underset{\Delta x\to 0}{\lim }\frac{\Delta y}{\Delta x}=\underset{\Delta x\to 0}{\lim }\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}\text{\hspace{1em}(5)}$$
则称此极限为函数 $y=f(x)$ 在点 $x_0$ 处的导数。记作 $f^{\prime }(x_0)$ 或 $y^{\prime }{|}_{x=x_0}$ 或 $\frac{dy}{dx}{|}_{x=x_0}$ 或 $\frac{df(x)}{dx}{|}_{x=x_0}$。

通俗地说，导数就是曲线在某一点切线的斜率。

拓展与思考

微分、导数、积分，这三者之间，有什么联系？

参考：https://www.zhihu.com/question/264955988

2.3.2 偏导数

既然谈到偏导数(Partial derivative)，那就至少涉及到两个自变量。以两个自变量为例，$z=f(x,y)$，从导数到偏导数，也就是从曲线来到了曲面。曲线上的一点，其切线只有一条。但是曲面上的一点，切线有无数条。**而偏导数就是指多元函数沿着坐标轴的变化率。 **

注意：直观地说，偏导数也就是函数在某一点上沿坐标轴正方向的的变化率。

设函数$z=f(x,y)$在点$(x_0,y_0)$的领域内有定义，当$y=y_0$时，$z$可以看作关于$x$的一元函数$f(x,y_0)$，若该一元函数在$x=x_0$处可导，即有
$$\underset{\Delta x\to 0}{\lim }\frac{f(x_0+\Delta x,y_0)-f(x_0,y_0)}{\Delta x}=A\text{\hspace{1em}(5)}$$
函数的极限$A$存在。那么称$A$为函数$z=f(x,y)$在点$(x_0,y_0)$处关于自变量$x$的偏导数，记作$f_x(x_0,y_0)$或$\frac{\partial z}{\partial x}{|}_{y=y_0}^{x=x_0}$或$\frac{\partial f}{\partial x}{|}_{y=y_0}^{x=x_0}$或$z_x{|}_{y=y_0}^{x=x_0}$。

偏导数在求解时可以将另外一个变量看做常数，利用普通的求导方式求解，比如$z=3x^2+xy$关于$x$的偏导数就为$z_x=6x+y$，这个时候$y$相当于$x$的系数。

如下图的动态演示，某点$(x_0,y_0)$处的偏导数的几何意义为曲面$z=f(x,y)$与面$x=x_0$或面$y=y_0$交线在$y=y_0$或$x=x_0$处切线的斜率。

注：图片引用自公众号“遇见数学”

导数和偏导数有什么区别？

导数和偏导没有本质区别，如果极限存在，都是当自变量的变化量趋于0时，函数值的变化量与自变量变化量比值的极限。

• 一元函数，一个$y$对应一个$x$，导数只有一个。
• 二元函数，一个$z$对应一个$x$和一个$y$，有两个导数：一个是$z$对$x$的导数，一个是$z$对$y$的导数，称之为偏导。
• 求偏导时要注意，对一个变量求导，则视另一个变量为常数，只对改变量求导，从而将偏导的求解转化成了一元函数的求导。

2.3.3 方向导数、梯度

偏导只是多元函数沿着坐标轴的变化率，当我们扩展到曲面，如下图，能否沿着任意方向的变化率呢？

在上图曲面中，可以作无数条过$A$点的曲线（图中画出了3条示例），每一根曲线都可以作一条切线，也即是可以得到任意方向的变化率。这就是方向导数(Directional Derivative)，进一步地，对于其中方向导数取最大值的方向就是梯度(Grad)，也就是函数变化率最大的方向。如下图，观察底部的箭头指向（仅表示方向），其中蓝色表示方向导数，黑色表示梯度，梯度方向始终指向函数值上升最大的方向。

注：图片引用自公众号“遇见数学”

梯度在机器学习/深度学习中具有极其重要的地位，这儿多说一点，举个栗子：

假如你在一座山上，蒙着眼睛，但是你必须以最快的速度到达山谷中最低点的湖泊，你该怎么办？

只需要通过手感受附近梯度的最大的方向，然后一直沿着梯度相反的方向就可以以最快的速度到达谷底：

细节可参考：Introduction to Gradient Descent Algorithm (along with variants) in Machine Learning

这就是大名鼎鼎的梯度下降算法。

2.3.4 神经网络训练机制—反向传播算法

神经网络的训练过程就是对我们代价函数进行优化的过程，这个优化的参数更新过程需要梯度下降算法，且在更新参数权重的时候需要我们的误差回传，这就是我们反向传播算法。

这部分是一个例子，通俗介绍神经网络的训练机制，也就是梯度下降算法及反向传播算法的应用。例子中省略了公式推导细节，感兴趣的可参看本节末的扩展阅读加深理解。

为了说明这个过程，引入一个简单的神经网络，如下图，是一个包含两个输入和一个输出的三层神经网络：

图中每个神经元由两个部分组成：第一部分为权重系数和输入信号的乘积和，第二部分为神经元的非线性激活功能。如下图，信号$e$是加法器的输出信息，$y=f(e)$是非线性单元的输出信号，而$y$是神经元的输出信号。

为了训练网络，我们需要训练数据，由输入信号x${}_1$和x${}_2$及对应的期望输出z组成。网络训练是一个迭代过程，在每次迭代中（前向传播过程）：从输入开始，计算每个神经元的输出信号。如下图，$W_{(xm)n}$表示输入信号$x_m$到神经元$n$的连接权重，$y_n$表示神经元$n$的输出信号。

神经元1

神经元2

神经元3

通过中间的隐藏层传播过程中，$W_{mn}$表示从神经元$m$输出到输入下一层神经元$n$之间的连接权重。

隐藏层神经元4

隐藏层神经元5

输出层神经元6

以上为我们的前向传播过程(forward-propagation)。

接下来，将网络的输出$y$与训练集中的期望输出$z$进行比较，得到输出神经元的误差$\delta$。

虽然我们计算了输出层神经元的误差，但是，我们不可能直接计算内部神经元的误差，因为内部神经元的期望输出是未知的。为了计算内部神经元的误差，上世纪80年代提出了反向传播算法，大概思路是将误差$\delta$反向传回所有神经元。

反向计算各神经元误差过程中，权重系数$Wmn$与前项传播过程相同，一直回传至输入。

计算完每个神经元的误差之后，更新神经元间连接权重，这使用到了梯度下降发更新权重。

其中，$\eta$是学习率，影响学习速度。

如此往复一次次迭代，更新网络权重，就是网络训练过程。

扩展阅读

神经网络和反向传播：理论推导及代码实现（纯手工实现），完成手写数字识别。

思考：如何成为武林高手？

以上就是本文的所有内容，最后讨论一个问题：如何成为武林高手？

借用台大教授李宏毅老师的话，武林高手讲究内外兼修。

Deep Learning 也需要內外兼修

• 内力：运算资源

• 招数：各种技巧

内力充沛，平常的招式也有可能发挥巨大威力，不需要太花哨的招式

只有内力，没有招数，也是不行的（空有一身蛮力）

最后，希望大家都可以成为内外兼修的高手~

声明

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参考文献

[1] 同济大学数学系.高等数学（第七版）[M]，高等教育出版社，2014.
[2] 反向传播算法
[3] Jim Liang， Getting Started with Machine Learning，2018
[4] 周志华.机器学习[M].清华大学出版社，2016.
[5] Ian，Goodfellow，Yoshua，Bengio，Aaron…深度学习[M]，人民邮电出版，2017