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第 13 章:具体例子、易错边界与回到训练问题 ​

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13.1 一组贯穿例子:交叉项如何消失 ​

取

f(x,y)=\frac32x^2+xy+\frac32y^2,\qquad
H=\begin{bmatrix}3&1\\1&3\end{bmatrix}.

原点梯度为零。取 q_1=(1,1)^T/\sqrt2、q_2=(-1,1)^T/\sqrt2,则特征值为 4,2。新坐标为

u_1=(x+y)/\sqrt2,\qquad u_2=(-x+y)/\sqrt2,
\qquad f=2u_1^2+u_2^2.

因正交变换保长度,f(x,y)\geq x^2+y^2,所以原点是严格全局极小点。这里能说全局,是因为函数恰为正定二次型,不是因为一般二阶判别法自动给出全局结论。

13.2 二维判别式只是同一事实的简写 ​

对实对称 H=\begin{bmatrix}a&b\\b&c\end{bmatrix},令 D=ac-b^2。若 a\ne0,完成平方得

ax^2+2bxy+cy^2
=a\left(x+\frac ba y\right)^2+\frac Da y^2.

若 D>0,a>0,两项系数皆正,故正定;D>0,a<0 则负定。若 D<0,两特征值乘积负,故一正一负,二次型不定。若 D=0,存在零特征值,通常要看高阶项。这个规则仍须搭配 \nabla f(p)=0 才能作为驻点极值判别。

13.3 内部、可微、驻点和邻域条件都不可省 ​

错误推断反例及原因
极值处梯度总为零f(x)=x 在 [0,1] 的最小点是边界点 0,导数为 1
极小处导数一定存在f(x)=|x| 在 0 极小,但不可微
Hessian 正定处就是极小点f(x)=x+x^2 在 0 二阶导为 2,一阶导为 1,并非极小点
梯度零就是极小点f(x,y)=x^2-y^2 在原点为鞍点
Hessian 半正定能确定极小f(x,y)=x^2-y^4 在原点半正定却为鞍点
局部极小必是全局极小f(x)=(x^2-1)^2+x 的两处局部极小值不同

最后一例的导数为 4x^3-4x+1,在 (-2,-1)、(0,1/2)、(1/2,1) 各有一根;左右两根二阶导为正,中央根二阶导为负。左侧极小函数值小于 -1(在 x=-1 的值为 -1 且该点非驻点),右侧极小点为正数且两项使函数值正,因此右侧局部极小不是全局极小。

13.4 从方向导数回到 Transformer ​

把全部可训练参数按固定顺序展平成 \theta\in\mathbb R^N,损失就成为 L(\theta)。梯度回答一阶局部变化;Hessian 回答梯度如何变化与二阶方向变化。对矩阵参数,二阶导数若展开为元素索引对,通常是四阶数组;展平后成为 N\times N Hessian。它与本来同形的参数梯度不可混用。

即使全损失梯度在某处为零,各小批量梯度也未必为零;带动量或权重衰减的优化器也未必立即停止。高维 Hessian 可能出现零或负方向。这里证明的局部定理不承诺训练能到达该点,也不承诺找到全局最优。

13.5 可以独立复述的证明链 ​

从矩阵链式法则得到同形参数梯度;用方向导数和 Cauchy–Schwarz 说明负梯度是一阶最速下降方向;用一元费马定理说明内部可微极值必须驻点;在驻点处,一阶项消失,二阶泰勒公式留下 Hessian 二次型与统一余项。

谱定理把实对称二次型化成 \sum_i\lambda_i u_i^2;正定给出全部 \lambda_i>0,有限个特征值有正的最小值。这个统一正下界压过小 o 余项,于是得到整个邻域中的严格不等式,而非仅沿每条固定直线的判断。

追问谱定理时,先解决一个实特征向量的存在,再用正交补不变和归纳得到完整特征基。球面路线的存在性来自连续函数在非空紧集取极值;紧致性的欧氏空间刻画,又来自有限维和实数完备性。这些就是原来 20 轮问题之间的连接。

保留每一次追问,认真走完每一步证明。