Newton 法与拟 Newton 法
层级:B|按需
1. 一阶方法看坡度,二阶方法还看曲率
梯度下降对所有方向用同一个学习率;若损失谷地各方向曲率差异大,速度慢。Newton 法用 Hessian 调整每个方向的步长,在局部二次模型准确时可极快收敛。
2. 从求根推导一元 Newton 法
要解 ,用切线近似:
所以
最小化 时令 :
3. 多元 Newton 步
二阶 Taylor 模型:
令模型梯度为零:
解线性系统得 Newton 方向,再更新
纯 Newton 用 ;全局化版本用线搜索或信赖域。
4. 为何能纠正尺度
在 Hessian 特征方向 :
曲率大的方向缩小步长,曲率小的方向放大。对严格凸二次函数,Newton 一步到达最优点,与条件数无关(忽略求解误差)。
5. 局部二次收敛
在最优点附近、Hessian 正定且足够光滑等条件下:
误差大致平方,正确位数快速翻倍。但这是局部性质,初始点太远时可能失败。
6. 非凸与奇异问题
- Hessian 不定:Newton 方向可能是上升方向;
- Hessian 奇异/近奇异:线性系统无唯一稳定解;
- 远离最优:二次近似不准确;
- 高维:存储 、直接求解 不可承受。
常用修正:
选择足够大 使矩阵正定;或使用信赖域限制 。
7. 阻尼 Newton 与线搜索
先求 Newton 方向,若 是下降方向,再用回溯选择 满足充分下降。靠近最优点时通常接受全步 ,恢复快速收敛。
若方向非下降,可修改 Hessian、使用负梯度或信赖域。
8. 拟 Newton 思想
不直接算 Hessian,而从相邻迭代的参数与梯度变化近似逆 Hessian或 Hessian。记
希望近似矩阵满足割线条件
(若 近似 Hessian),模拟 的关系。
9. BFGS
BFGS 通过秩二更新维护正定 Hessian 近似或逆近似。若
并从正定矩阵开始,更新保持正定,产生下降方向。它在中等维度光滑确定性优化中非常有效。
不必死记完整更新式,重点是:利用梯度差估曲率、满足割线条件、避免显式二阶导。
10. L-BFGS
BFGS 存储 矩阵,参数大时昂贵。L-BFGS 只保留最近 对 ,通过两层循环递推计算方向,内存约 。
它适合:
- 全量或低噪声梯度;
- 光滑目标;
- 中大规模参数但可承受多次函数/梯度评估。
小批量噪声会让曲率差分不可靠,需随机拟 Newton 变体或更大 batch。
11. 共轭梯度与 Hessian–vector product
Newton 系统
可用共轭梯度迭代求近似解,只需计算 ,不存 Hessian。若 正定,这形成 truncated Newton/Newton-CG。自动微分可高效计算 HVP。
12. Logistic 回归中的 Hessian
负对数似然梯度与 Hessian:
对角元素 ,所以 Hessian PSD。Newton/IRLS 可高效训练中等规模逻辑回归;正则化提高正定性。
易错点
- 实现 Newton 步应解 ,不显式求 。
- 非凸 Hessian 不定时 Newton 方向未必下降。
- 二次收敛是局部且有条件的。
- L-BFGS 对高噪声 mini-batch 未必合适。
- 二阶方法每步贵,评价应看总时间而非步数。
常见问答
Q1:Newton 法没有学习率吗?
纯局部形式用全步,但稳健实现通常有阻尼、线搜索或信赖域半径,相当于控制步长。
Q2:拟 Newton 是二阶方法吗?
它使用梯度差隐式估计曲率,通常归入准二阶方法,不需要显式 Hessian。
Q3:深度学习能用 Newton 法吗?
完整 Newton 很少,但 Hessian-free、K-FAC、自然梯度、Shampoo 等利用曲率结构或近似。大规模一阶方法仍更普遍。
练习
- 对 做一次 Newton 更新。
- 多元 Newton 步为何是解线性系统?
- Hessian 有负特征值时 Newton 方向可能怎样?
- L-BFGS 相比 BFGS 节省了什么?
- Logistic Hessian 为什么 PSD?
答案与提示
- ,一步到 。
- 二次模型一阶条件为 。
- 可能沿负曲率方向上升或趋向最大点。
- 不存完整 矩阵,只存少量向量对。
- 。