梯度下降法又称最速下降法，是求解无约束最优化问题的一种最常用的方法，在对损失函数最小化时经常使用。梯度下降法是一种迭代算法。选取适当的初值x(0)，不断迭代，更新x的值，进行目标函数的极小化，直到收敛。由于负梯度方向时使函数值下降最快的方向，在迭代的每一步，以负梯度方向更新x的值，从而达到减少函数值的目的。提到梯度下降法，就不得不提到方向导数与梯度了。
1.方向导数
设函数z=f(x,y)在点p(x,y)的某一邻域U(P)内有定义，自点P引射线l。设x轴正向到射线l的转角为φ，并设P'(x+Δx, y+Δy)为l上的另一个点且P'也在邻域U(P)内。
考虑若
，若此极限存在，则称此极限为函数f(x,y)在点P沿方向l的方向导数，记作
，即
2.方向导数与偏导数的关系
定理：如果函数z=f(x,y)在点p(x,y)是可微分的，那么函数在该点沿任一方向l的方向导数都存在，且有
，其中φ为x轴到方向l的转角。
简要证明：
由此可将该定理推向更高维的函数，例如对于三元函数u=f(x,y,z)，定义它在空间一点P(x,y,z)向某方向（设方向的方向角为α，β，γ）的方向导数如下
，
故有
3.梯度
设函数z=f(x,y)在平面区域D内有一阶连续偏导数，则对于区域D内的任一点p(x,y)及任一方向l，有
其中向量
称为函数f(x,y)在点P的梯度，记作gradf(x,y)。
4.梯度与方向导数
设
是与l方向相同的单位向量，则
5.为什么梯度方向是使函数值增加最快的方向？（负梯度方向是使函数值下降最快的方向？）
方向导数何时取得最大值呢？即为
等于1时，即单位向量
与梯度向量同向时，方向导数最大，也就是单位步伐，函数值朝这个方向变化最快。同理可知与梯度方向反向时，函数值下降最快。
结论：函数在某点的梯度是这样一个向量，它的方向与取得最大方向导数的方向一致，而它的模为方向导数的最大值。所以可以说，沿着梯度方向，方向导数为正，函数沿着这个方向变化是增加最快的方向。