原創申明：本文為SIGAI原創文章，僅供個人學習使用，未經準許，不能用于商業目的。
其它機器學習、深度學習算法的全面系統講解可以閱讀《機器學習-原理、算法與應用》，復旦學院出版社，雷明著，由SIGAI公眾號作者鼎力構筑。
序言
牛頓法是數值優化算法中的你們族，她和她的改進型在好多實際問題中得到了應用。在機器學習中，牛頓法是和梯度增長法地位相當的的主要優化算法。在本文中，SIGAI將為你們深入淺出的系統述說牛頓法的原理與應用。
牛頓法的起源
牛頓法以偉大的德國科學家牛頓命名，牛頓除了是偉大的化學學家，是近代化學的奠基人，還是偉大的物理家，他和法國物理家萊布尼茲并列發明了微積分，這是物理歷史上最有劃時代意義的成果之一，奠定了近代和現代物理的基石。在物理中牛頓定律的理解，也有好多以牛頓命名的公式和定律，牛頓法就是其中之一。
牛頓法除了可以拿來求解函數的極值問題，還可以拿來求解多項式的根，兩者在本質上是一個問題，由于求解函數極值的思路是找尋行列式為0的點，這就是求解多項式。在本文中，我們介紹的是求解函數極值的牛頓法。
在SIGAI之前關于最優方式的系列文章“理解梯度增長法”，“理解凸優化”中，我們介紹了最優化的基本概念和原理，以及迭代法的思想，假如對這種概念還不清楚，請先閱讀這兩篇文章。和梯度增長法一樣，牛頓法也是找尋行列式為0的點，同樣是一種迭代法。核心思想是在某點處用二次函數來近似目標函數，得到行列式為0的多項式，求解該多項式，得到下一個迭代點。由于是用二次函數近似，因而可能會有偏差，須要反復這樣迭代，直至抵達行列式為0的點處。下邊我們開始具體的推論，先考慮一元函數的情況，之后推廣到多元函數。
一元函數的情況
為了能讓你們更好的理解推論過程的原理，首先考慮一元函數的情況。依據一元函數的泰勒展開公式，我們對目標函數在x0點處做泰勒展開，有：
假如忽視2次以上的項，則有：
如今我們在x0點處牛頓定律的理解，要以它為基礎，找到行列式為0的點，即行列式為0。對前面方程兩側同時導數，并令行列式為0，可以得到下邊的等式：
可以解得：
這樣我們就得到了下一點的位置，因而走到x1。接出來重復這個過程，直至抵達行列式為0的點，由此得到牛頓法的迭代公式：
給定初始迭代點x0，反復用前面的公式進行迭代，直至達到行列式為0的點或則達到最大迭代次數。
多元函數的情況
下邊推廣到多元函數的情況，若果讀者對梯度，的概念還不清楚，請先去看微積分教材，或則閱讀SIGAI之前關于最優化的公眾號文章。按照多元函數的泰勒展開公式，我們對目標函數在x0點處做泰勒展開，有：
忽視二次及以上的項，并對上式兩側同時求梯度，得到函數的求導（梯度向量）為：
其中
即為矩陣，在前面我們寫成H。令函數的梯度為0，則有：
這是一個線性多項式組的解。假如將梯度向量縮寫為g，里面的公式可以縮寫為：
從初始點x0處開始，反復估算函數在處的矩陣和梯度向量，之后用下列公式進行迭代：
最終會抵達函數的駐點處。其中