數學基礎

偏導數(partial derivative)

/ PAR-shul duh-RIV-uh-tiv /

大多數有意思的事情,都同時依賴好幾個輸入。一塊蛋糕好不好吃,取決於糖、烘焙時間和烤箱溫度三者的合力。偏導數只把其中一個旋鈕單拎出來,它問的是:「如果我只改糖,把烘焙時間和溫度都紋絲不動地按住,好吃程度會變得多快?」你凍住除一個變量之外的一切,再沿那唯一的方向去量普通的斜率。

它用一個彎彎的符號(∂)來寫,提醒你還有別的變量潛伏著、只是被按住不動。因此,一個多輸入的函數會有許多個偏導數——每個輸入對應一個。把它們全收進一張表裡,你就得到梯度,那個指向「上升最陡方向」的向量。所以梯度無非就是把所有偏導數並排碼在一起。

這是訓練神經網路的家常便飯。一個現代模型有成百萬乃至上十億個內部數字,而學習,就是針對每一個數字分別去問:「如果我只推動這一個數字,總誤差會怎麼變?」每個答案,都是一個偏導數。反向傳播則是一套巧妙的記帳法,能在一趟掃描裡把它們全部高效算出。一句實話:偏導數是故意無視各變量在真實世界裡可能如何聯動的;它回答的是一個嚴格「其它一切不變」的問題——而它之所以強大,恰恰因為它問得這麼窄。

對於 f(x, y) = x² + 3y,對 x 的偏導數是 2x(把 y 當作凍住的常數,於是 3y 消失了),對 y 的偏導數則只是 3(把 x 當作凍住的)。把它們疊起來,梯度就是 (2x, 3):在點 (1, 1) 處,它指向 (2, 3) 這個方向,也就是上坡最陡的那條路。

一次只調一個旋鈕:把其餘變量全凍住,量出這一個的斜率,再把所有答案疊成梯度。

梯度(所有偏導數的集束)指向上升最陡的方向;梯度下降不過是反著走、往山下去。要記住,每個偏導數都把其它每一個變量死死按住不動——這是一種實用而真實存在的「虛構」。

又稱
偏导数偏導數偏微分