Nesterov Accelerated Gradient (NAG)，也称为Nesterov Momentum，是一种改进版的动量优化算法，旨在加速梯度下降过程中的收敛速度，并提高对最优解的逼近效率。它由Yurii Nesterov在1983年提出，是对传统动量方法的一种增强。
### 传统动量法回顾
在传统的动量方法中，更新规则不仅考虑当前的梯度，还包含了之前所有梯度的方向和大小的累积（即“动量”），以帮助克服局部极小值或鞍点，并加快沿陡坡方向的移动速度。具体来说，更新规则如下：
- 计算当前梯度：\( g_t \)
- 更新动量项：\( v_t = \gamma v_{t-1} + \eta g_t \)
- 更新参数：\( w_{t+1} = w_t - v_t \)
这里，\( \gamma \) 是动量系数（通常设置为0.9左右），而 \( \eta \) 是学习率。
### Nesterov Momentum的核心思想
Nesterov Momentum的主要创新在于它改变了计算梯度的方式。在传统的动量方法中，我们首先根据之前的动量方向更新权重，然后在这个新位置上计算梯度。而在Nesterov Momentum中，我们先按照先前的动量进行一步预测，再基于这个预测位置来计算梯度，最后才真正执行更新。这种做法可以看作是对未来位置的一个前瞻（lookahead），从而使得优化路径更加平滑且直接朝向最小值前进。
#### 数学表达
Nesterov Momentum的更新规则如下：
1. **预测下一步的位置**：\[ w_{\text{temp}} = w_t + \gamma v_{t-1} \]
2. **在预测位置计算梯度**：\[ g_t = \nabla f(w_{\text{temp}}) \]
3. **更新动量项**：\[ v_t = \gamma v_{t-1} + \eta g_t \]
4. **更新参数**：\[ w_{t+1} = w_t - v_t \]
这里的 \( w_{\text{temp}} \) 表示临时预测的权重位置，\( \gamma \) 和 \( \eta \) 分别代表动量系数和学习率。
### 优势
- **更精确的方向修正**：通过提前一步预估下一位置并在此基础上计算梯度，Nesterov Momentum能够更好地调整搜索方向，避免了传统动量法可能带来的过冲问题。
- **更快的收敛速度**：由于能更准确地预测下一步的方向，Nesterov Momentum往往比标准动量方法更快地找到全局最优点，尤其是在存在强烈曲率变化的情况下。
### 实际应用
在实际应用中，Nesterov Momentum因其高效性和稳定性被广泛应用于各种深度学习框架中。例如，在TensorFlow或PyTorch等框架里，你可以很容易地选择使用Nesterov Momentum作为优化器的一部分。这通常涉及到设置一个额外的标志位来启用Nesterov修正。
