偏导数与梯度

本节目标

你将从“每次只改变一个坐标”理解偏导,把偏导组织成梯度,并用方向导数和多变量局部线性近似判断一个小步怎样改变损失。还会认识 Jacobian/Hessian 的 shape 与用途边界。

多参数函数

模型损失通常依赖成千上万个参数:。偏导数研究“其他变量暂时固定,只改变一个变量”的局部变化率。

若:

则:

在 ,两偏导分别为 8 和 7。

偏导里的“其他变量固定”是数学操作,不代表现实变量真的能独立改变。若参数受约束或彼此由同一变量生成,应先写出实际参数化,再用链式法则求沿可行方向的变化。

梯度

把所有偏导排成向量:

梯度指向局部增长最快方向,负梯度指向局部下降最快方向(以欧氏长度衡量)。方向 上的方向导数:

这把微积分和点积连接起来。

对小扰动 ,多变量局部线性近似为:

若限制 ,方向导数在梯度方向取得最大值 ,在负梯度方向取得最小值。这个“最陡”依赖欧氏度量和坐标尺度;重新参数化后方向会变。

等高线直觉

等高线把函数值相同的点连起来。梯度与光滑等高线垂直,因为沿等高线移动函数一阶不变。损失地形中,负梯度跨过等高线走向较低值。

Jacobian 与 Hessian 的最低认识

  • 向量输出对向量输入的一阶导数组成 Jacobian。
  • 标量函数二阶偏导组成 Hessian ,描述局部曲率。

若 ,Jacobian shape 为 ;若 ,Hessian shape 为 。工程中通常计算 Jacobian-vector 或 vector-Jacobian product,而不是显式构造巨型矩阵。

初学不必手算大型矩阵,但要知道:反向传播在高效计算一类 Jacobian 乘积;曲率影响学习率和优化难度。

在 ML/Embedding 中的用途

  • 梯度决定权重、Embedding 表中的相关行如何更新。
  • 对 query embedding 求梯度可分析哪些方向影响相似度,但“梯度大”不自动等于因果重要。
  • 对抗扰动利用输入梯度寻找小变化造成的大输出变化,说明局部敏感性。
  • 评测指标如准确率不可微,训练常用可微 surrogate loss。

可验证例子

在 沿单位方向 ,方向导数为 8;沿 为 7。沿负归一化梯度迈很小一步,应使 降低。可直接代入 检查。

常见误区

  • 偏导存在不必然保证函数处处可微;工程常见光滑函数通常问题较少。
  • 梯度大小受参数尺度影响,不同单位不可直接比较。
  • 梯度是局部信息,不保证一步到全局最优。
  • 梯度为零可能是鞍点。

练习与自测

  1. 求 的梯度和最小点。
  2. 解释 feature scaling 为什么会改变损失等高线形状和优化速度。
  3. 在 将梯度归一化,验证该单位方向的一阶增长率等于梯度范数。
  4. 写出 的 Jacobian shape,以及标量损失对 3 个参数的梯度 shape。
  5. 举一个受约束参数例子,说明“固定其他坐标”未必是可执行干预。
  • 我能计算简单梯度。
  • 我能解释方向导数是梯度点积。
  • 我知道梯度与参数尺度有关。
  • 我能写出多变量局部线性近似和 Jacobian/Hessian shape。
  • 我知道梯度是局部、依赖坐标和度量的信息。

参考资料

核验日期:2026-07-14。

上一节:函数、极限与导数|下一步:链式法则与反向传播。