Descente de gradient

La descente de gradient (gradient descent) minimise une fonction différentiable par itérations successives dans la direction opposée au gradient :

où est le pas d'apprentissage (learning rate) à l'itération .

L'idée : le gradient pointe vers la plus forte montée ; en soustrayant , on descend localement vers un minimum.

Intuition

On imagine une bille roulant le long d'une surface : à chaque pas, on regarde la pente locale ( ) et on avance dans la direction la plus descendante. Pas trop grand : on peut overshoot et diverger. Pas trop petit : convergence très lente. Sur une fonction convexe lisse, un bon choix de garantit la convergence vers le minimum global (voir Optimisation convexe). Sur une fonction non convexe (réseaux de neurones), on converge souvent vers un minimum local ou un point selle — d'où l'importance de l'initialisation et des variantes (momentum, Adam).

Pas d'apprentissage

StratégieFormule / idéeUsage
Pas fixe

constant

Simple ; nécessite un tuning manuel
Décroissance

ou

Garanties de convergence en SGD sous hypothèses
Line search

Choisir minimisant

Coûteux mais adaptatif ; Newton utilise une logique proche
Schedule (warmup, cosine)

planifié sur les epochs

Standard en deep learning

Pour une fonction -lisse et convexe, un pas constant suffit à garantir la convergence. En pratique, est rarement connu : on teste des valeurs (log-scale : , , …) ou on utilise un optimiseur adaptatif.

Variantes

MéthodeIdéeIntérêt
Batch (GD)Gradient sur tout l'échantillonStable mais lent sur grands jeux de données
SGDGradient sur un exemple (ou mini-batch)Rapide, bruit utile pour échapper aux minima locaux
Mini-batch

Gradient sur un sous-ensemble de taille

Compromis standard ; parallélisable sur GPU
Momentum

, puis

Accélère dans les directions consistantes ; atténue l'oscillation
Adam / RMSProp

Pas adaptatif par coordonnée (moyennes mobiles du gradient et de sa variance)

Peu de tuning ; défaut en deep learning tabulaire et réseaux

Convergence

Si est convexe et -lisse, la descente de gradient avec vérifie :

Convergence en — linéaire en nombre d'itérations pour la précision, pas exponentielle. Pour une convergence plus rapide près de l'optimum, voir Newton et quasi-Newton (à venir).

Si est -fortement convexe (), le taux devient linéaire (géométrique) :

La condition number gouverne la vitesse : plus elle est grande, plus la convergence est lente.

Hyperparamètres clés

ParamètreRôleEffet principal

learning_rate ()

Taille du pasTrop grand → divergence ; trop petit → lenteur
batch_sizeTaille du mini-batchGrand → gradient stable ; petit → bruit et généralisation

momentum ()

Inertie du gradientTypiquement 0.9 ; accélère dans les vallées étroites

max_iter / epochs

Nombre d'itérationsCoupler avec early stopping pour éviter le sur-apprentissage
tolerance

Seuil d'arrêt sur ou gain de loss

Utile quand la loss plateaute

Applications

  • Régression linéaire : OLS a une solution fermée, mais la descente de gradient reste utile pour grands ou streaming.
  • Régularisation ridge / lasso : minimisation itérative quand ou est très grand.
  • Machine learning : entraînement de modèles linéaires, réseaux de neurones (via backprop + SGD/Adam).
  • Calibration : ajuster des paramètres de modèle pour minimiser une loss sur données historiques.

La descente de gradient est l'algorithme de base référencé dans Dérivées, gradient et Hessienne ; Optimisation convexe explique pourquoi, sur un problème convexe, cette procédure cible le bon optimum.

Limites et pièges

SituationProblèmePiste
Fonction non convexeMinima locaux, points sellesMulti-start, momentum, learning rate schedule
Mauvais conditionnementVallées étroites et allongéesNormalisation des features, Adam, preconditioning
Plateaux

loin de l'optimum

ReLU/sigmoid en DL ; momentum ou Adam
Objectif non lisse

(lasso)

Sous-gradient, proximal gradient (ISTA)
Coût par itérationBatch complet trop lentMini-batch SGD ; parfois solution fermée préférable (OLS)

Voir aussi

• Dérivées, gradient et Hessienne — gradient et interprétation différentielle

• Optimisation convexe — garanties de convergence sur problèmes convexes

• Convexité — pourquoi un minimum local est global

• Régression — cas quadratique et alternative fermée (OLS)