11-机器学习与大模型开发数学教程-第1章1-3 极限与连续性

在数学史上,牛顿和莱布尼茨在研究"变化率"时,发现一个问题:如果直接用"瞬时变化"来定义速度,公式会出问题。于是,他们引入了 极限(limit) 的思想。

在机器学习中,我们也经常遇到类似的问题:

  • 梯度下降法里,要计算某一点的"斜率",其实就是在算一个极限。
  • 神经网络的损失函数必须是"连续"的,否则优化会卡住。
  • 在概率分布中,积分和期望的定义本质上也依赖于极限。

换句话说,极限是所有连续变化的起点


极限的直观理解

我们先来看一个生活类比:

  • 你走向一扇自动门,距离越来越小。
  • 当你无限接近门口时,你和门之间的距离"趋近于 0"。

这就是极限思想:不一定真的等于某个值,而是无限接近某个值。

数学上,如果函数 f(x)f(x)f(x) 在 xxx 趋近于某个点 aaa 时,也越来越接近某个数 LLL,那么就记作:

lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = Llimx→af(x)=L

比如:

lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1limx→0xsinx=1


极限与函数连续性

极限思想直接引出了函数的"连续性"。

直观理解:

  • 如果你在画一条曲线,中间不用抬笔,那么这个函数就是连续的。
  • 如果需要"跳跃"或者"断开",那就是不连续。

形式化地说:

函数 f(x)f(x)f(x) 在点 aaa 处连续,当且仅当:

lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a)limx→af(x)=f(a)


Mermaid 图示:函数连续与不连续

不等于 极限存在 等于函数值 函数在该点连续 函数不连续

说明

  • 如果极限存在,且等于函数值,则函数连续。
  • 如果极限不存在,或存在但不等于函数值,则函数不连续。

机器学习中的"连续性"为什么重要?

  1. 损失函数的连续性

    • 在训练中,我们最关心的是损失函数(Loss Function)。
    • 如果损失函数是连续的,那么模型参数的微小变化,只会带来损失的微小变化,这样优化才"平滑可控"。
    • 如果损失函数不连续,那么优化会"卡壳",梯度下降也无从谈起。

    例子:

    • 均方误差(MSE) 是连续的 → 很适合梯度下降。
    • 0-1 损失函数(预测错了记 1,否则 0)是不连续的 → 无法直接用梯度优化。
    • 这也是为什么深度学习里常用"交叉熵损失"替代"0-1 损失"。
  2. 激活函数的连续性

    • Sigmoid、Tanh、ReLU 等激活函数,之所以能被广泛使用,关键是它们连续(甚至分段连续)。
    • 如果激活函数不连续,神经网络的输出会跳跃,导致训练不稳定。
  3. 大模型训练的稳定性

    • 在大规模模型(如 Transformer)中,优化器(Adam、AdaGrad 等)依赖于连续可导的损失函数。
    • 一旦损失函数出现不连续点,参数更新可能会"震荡",无法收敛。

技术延伸:极限与"渐近复杂度"的联系

在上一节 O(n) 表示法 中,我们研究了算法在大输入规模下的表现。

其实,大 O 表示法就是在用极限思想:

lim⁡n→∞f(n)g(n)=C\lim_{n \to \infty} \frac{f(n)}{g(n)} = Climn→∞g(n)f(n)=C

这说明:复杂度分析和极限的数学基础是一脉相承的。


小结

  • 极限:刻画函数在某个点附近的"趋近行为"。
  • 连续性:要求函数在某点的极限存在,且等于函数值。
  • 在机器学习中:
    • 连续的损失函数保证了可优化性。
    • 连续的激活函数保证了模型的稳定性。
    • 极限思想也支撑了算法复杂度的分析。
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