【机器学习实战】七、梯度下降

news2024/9/20 8:55:40

梯度下降

一、线性回归

线性回归算法推导过程可以基于最小二乘法直接求解,但这并不是机器学习的思想,由此引入了梯度下降方法。本文讲解其中每一步流程与实验对比分析。

1.初始化
import numpy as np
import os
%matplotlib inline
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams['axes.labelsize'] = 14
plt.rcParams['xtick.labelsize'] = 12
plt.rcParams['ytick.labelsize'] = 12
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
np.random.seed(42)
2.回归方程

在这里插入图片描述

import numpy as np
X = 2*np.random.rand(100,1)
y = 4+ 3*X +np.random.randn(100,1)
plt.plot(X,y,'b.')
plt.xlabel('X_1')
plt.ylabel('y')
plt.axis([0,2,0,15])
plt.show()

在这里插入图片描述

X_b = np.c_[np.ones((100,1)),X]
theta_best = np.linalg.inv(X_b.T.dot(X_b)).dot(X_b.T).dot(y)
print(theta_best) 
# 输出 :
array([[4.21509616],
       [2.77011339]])
X_new = np.array([[0],[2]])
X_new_b = np.c_[np.ones((2,1)),X_new]
y_predict = X_new_b.dot(theta_best)
print(y_predict)
# 输出:
array([[4.21509616],
       [9.75532293]])
plt.plot(X_new,y_predict,'r--')
plt.plot(X,y,'b.')
plt.axis([0,2,0,15])
plt.show()

在这里插入图片描述

二、调用sklearn API

sklearnAPI官网: https://scikit-learn.org/stable/modules/classes.html

from sklearn.linear_model import LinearRegression
lin_reg = LinearRegression()
lin_reg.fit(X,y)
print (lin_reg.coef_)
print (lin_reg.intercept_)
# 
[[2.77011339]]
[4.21509616]

三、梯度下降

在这里插入图片描述
当步长较小时,训练次数较多;
在这里插入图片描述
当步长较大时,波动大;
在这里插入图片描述
学习率应当尽可能小,随着迭代的进行应当越来越小。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

1.批量梯度下降
eta = 0.1 #学习率
n_iterations = 1000 # 迭代次数
m = 100
theta = np.random.randn(2,1) # 随机初始化参数theta
for iteration in range(n_iterations):
    gradients = 2/m* X_b.T.dot(X_b.dot(theta)-y)
    theta = theta - eta*gradients
theta
# 
array([[4.21509616],
       [2.77011339]])
X_new_b.dot(theta)
#
array([[4.21509616],
       [9.75532293]])
theta_path_bgd = []
def plot_gradient_descent(theta,eta,theta_path = None):
    m = len(X_b)
    plt.plot(X,y,'b.')
    n_iterations = 1000
    for iteration in range(n_iterations):
        y_predict = X_new_b.dot(theta)
        plt.plot(X_new,y_predict,'b-')
        gradients = 2/m* X_b.T.dot(X_b.dot(theta)-y)
        theta = theta - eta*gradients
        if theta_path is not None:
            theta_path.append(theta)
    plt.xlabel('X_1')
    plt.axis([0,2,0,15])
    plt.title('eta = {}'.format(eta))
theta = np.random.randn(2,1)

plt.figure(figsize=(10,4))
plt.subplot(131)
plot_gradient_descent(theta,eta = 0.02)
plt.subplot(132)
plot_gradient_descent(theta,eta = 0.1,theta_path=theta_path_bgd)
plt.subplot(133)
plot_gradient_descent(theta,eta = 0.5)
plt.show()

在这里插入图片描述

2.随机梯度下降

在这里插入图片描述

theta_path_sgd=[]
m = len(X_b)
np.random.seed(42)
n_epochs = 50
t0 = 5
t1 = 50

def learning_schedule(t):
    return t0/(t1+t)
theta = np.random.randn(2,1)

for epoch in range(n_epochs):
    for i in range(m):
        if epoch < 10 and i<10:
            y_predict = X_new_b.dot(theta)
            plt.plot(X_new,y_predict,'r-')
        random_index = np.random.randint(m)
        xi = X_b[random_index:random_index+1]
        yi = y[random_index:random_index+1]
        gradients = 2* xi.T.dot(xi.dot(theta)-yi)
        eta = learning_schedule(epoch*m+i)
        theta = theta-eta*gradients
        theta_path_sgd.append(theta)
        
plt.plot(X,y,'b.')
plt.axis([0,2,0,15])   
plt.show()

在这里插入图片描述

3.MiniBatch梯度下降
theta_path_mgd=[]
n_epochs = 50
minibatch = 16
theta = np.random.randn(2,1)
t0, t1 = 200, 1000
def learning_schedule(t):
    return t0 / (t + t1)
np.random.seed(42)
t = 0
for epoch in range(n_epochs):
    shuffled_indices = np.random.permutation(m)
    X_b_shuffled = X_b[shuffled_indices]
    y_shuffled = y[shuffled_indices]
    for i in range(0,m,minibatch):
        t+=1
        xi = X_b_shuffled[i:i+minibatch]
        yi = y_shuffled[i:i+minibatch]
        gradients = 2/minibatch* xi.T.dot(xi.dot(theta)-yi)
        eta = learning_schedule(t)
        theta = theta-eta*gradients
        theta_path_mgd.append(theta)
theta 
# 
array([[4.25490684],
       [2.80388785]])

四、3种策略的对比实验

theta_path_bgd = np.array(theta_path_bgd)
theta_path_sgd = np.array(theta_path_sgd)
theta_path_mgd = np.array(theta_path_mgd)
plt.figure(figsize=(12,6))
plt.plot(theta_path_sgd[:,0],theta_path_sgd[:,1],'r-s',linewidth=1,label='SGD')
plt.plot(theta_path_mgd[:,0],theta_path_mgd[:,1],'g-+',linewidth=2,label='MINIGD')
plt.plot(theta_path_bgd[:,0],theta_path_bgd[:,1],'b-o',linewidth=3,label='BGD')
plt.legend(loc='upper left')
plt.axis([3.5,4.5,2.0,4.0])
plt.show()

在这里插入图片描述
实际当中用minibatch比较多,一般情况下选择batch数量应当越大越好。

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