函数、极限与导数
本节目标
你将从区间平均斜率出发理解极限和导数,用导数做局部线性近似,识别连续但不可导、左右导数不一致和离散跳变,并知道数值差分为什么需要合适 step。
函数是输入到输出的规则
表示给定输入 得到输出 。ML 中 可是参数、 可是损失;检索中阈值变化会改变召回率。先明确输入、输出和定义域,再谈变化。
从平均变化率到瞬时变化率
区间 的平均变化率:
让 趋近 0,若极限存在,得到导数:
它是函数在一点附近的局部斜率。若 :
所以 。在 ,输入增加约 0.01,输出约增加 。
极限讨论的是“靠近”而不是必须“取到”。函数在一点可导会推出该点连续,但连续不一定可导; 在 0 连续,左右斜率却不同。函数在一个点没有定义,也仍可能存在趋近该点的极限。
局部线性近似
这是梯度下降的核心直觉:若导数为正,向负方向小步移动通常降低函数。近似只在足够小邻域有效,步长大时高阶曲率不可忽略。
常用最小求导规则
乘积、商和链式规则按需要学习,不应仅背结果;可用差商检查。
ML 中还常见:
对数的定义域和数值稳定性必须显式处理。实际实现交叉熵时通常使用框架提供的稳定组合算子,而不是先算极小概率再单独取对数。
不可导与次梯度
在 0 左斜率 -1、右斜率 1,因此普通导数不存在。ML 的 ReLU 和 L1 损失也有不可导点,实现会选择约定的次梯度或其他处理。少数点不可导不代表模型无法训练,但必须了解框架定义。
用途与误区
- 损失对参数的导数描述小改参数对损失的影响。
- 延迟-并发曲线的局部斜率可提示系统接近饱和,但观测噪声需统计处理。
- 阈值指标可能是阶梯函数,不能直接套平滑导数。
- 导数带单位:若 用秒、 用成本, 的单位是“成本/秒”;改用毫秒会缩放数值。
误区:导数为 0 不一定是最小值,也可能是最大值、鞍点或平坦区;导数存在不代表全局线性;数值差分的 过大有截断误差、过小有浮点消减误差。
练习与自测
- 用差商推导 的导数。
- 在 用 近似 导数,观察趋近 4。
- 分别求 在 0 的左右差商,解释为何连续却不可导。
- 给 写出定义域,并说明靠近 0 时梯度和数值风险。
- 把输入单位从秒改成毫秒,推导导数数值如何变化。
- 我能从差商解释导数。
- 我知道局部近似依赖小步长。
- 我不会把驻点自动当最小值。
- 我能区分极限、连续和可导。
- 我会检查导数的单位、定义域和数值 step。
参考资料
核验日期:2026-07-14。
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