Python纯Numpy手撕SGD

news2024/9/25 7:23:22

文章目录

  • 简介
  • 问题建模
  • 数据加载和预处理
    • 数据加载
    • 预处理
    • 分batch
  • 损失函数
  • 训练
  • 运行

简介

本博客用多元线性回归展示如何从零实现一个随机梯度下降SGD, 不使用torch等AI框架

问题建模

给定一个数据集 X ∈ R N × ( D + 1 ) \large X \in \R^{N \times (D+1)} XRN×(D+1)和对应标签向量 Y ∈ R N \large Y \in \R^{N} YRN, 权重为 W ∈ R D + 1 \large W \in \R^{D+1} WRD+1(包含 ω 0 \large \omega_0 ω0), 其中 N \large N N为数据集规模, D \large D D为样本特征维度.

则预测的标签 Y ^ \large \hat{Y} Y^为:
Y ^ = X W \large \hat{Y} = XW Y^=XW
误差函数采用均方差MSE, 即 ℓ \large \ell
ℓ ( W ) = ∣ Y ^ − Y ∣ 2 2 N = ∣ X W − Y ∣ 2 2 N \large \ell(W) = \frac{|\hat{Y}-Y|_2}{2N}=\frac{|XW-Y|_2}{2N} (W)=2NY^Y2=2NXWY2
根据梯度下降理论, 误差函数 ℓ ( W ) \large \ell(W) (W)求导为:
∂ ∂ W ℓ ( W ) = ∂ ∂ W ∣ X W − Y ∣ 2 2 N = ∂ ∂ W ∣ X W − Y ∣ 2 2 N = ∂ ∂ ( W ) ( X W − Y ) T ( X W − Y ) 2 N = ∂ ∂ ( W ) W T X T X W − W T X T Y − Y T X W + Y T Y 2 N = X T ( X W − Y ) N \large \frac{\partial}{\partial W}\ell(W) = \frac{\partial}{\partial W}\frac{|XW-Y|_2}{2N} \\ \large = \frac{\partial}{\partial W}\frac{|XW-Y|^2}{2N} \\ \large = \frac{\partial}{\partial (W)}\frac{(XW-Y)^T(XW-Y)}{2N} \\ \large = \frac{\partial}{\partial (W)}\frac{W^TX^TXW-W^TX^TY-Y^TXW+Y^TY}{2N} \\ \large = \frac{X^T(XW-Y)}{N} W(W)=W2NXWY2=W2NXWY2=(W)2N(XWY)T(XWY)=(W)2NWTXTXWWTXTYYTXW+YTY=NXT(XWY)
此处理想情况下, 可以直接令导数 ∂ ∂ W ℓ ( W ) = 0 \frac{\partial}{\partial W}\ell(W)=0 W(W)=0, 解得 W \large W W的解析解为 W = ( X T X ) − 1 X T Y \large W=(X^TX)^{-1}X^TY W=(XTX)1XTY. 但是实际场景中, 由于噪声或者样本规模太少等问题, X T X \large X^TX XTX不一定是个可逆矩阵, 因此梯度下降是一个普遍的替代方法.

数据加载和预处理

数据加载

采用房价数据集, 从sklearn下载

from sklearn.datasets import fetch_california_housing
from sklearn.model_selection import train_test_split


X, Y = fetch_california_housing(return_X_y=True)
X.shape, Y.shape	# (20640, 8), (20640, )

预处理

需要对样本 X \large X X增加一列全1的数据, 为了方便划分batch, 然后划分成训练集和测试集.

ones = np.ones(shape=(X.shape[0], 1))
X = np.hstack([X, ones])
validate_size = 0.2
X_train, X_test, Y_train, Y_test = train_test_split(X, Y, test_size=validate_size, shuffle=True)

分batch

这里写一个函数, 每次返回一个batch的样本, 为节省内存空间, 采用生成器的形式

def get_batch(batchsize: int, X: np.ndarray, Y: np.ndarray):
    assert 0 == X.shape[0]%batchsize, f'{X.shape[0]}%{batchsize} != 0'
    batchnum = X.shape[0]//batchsize
    X_new = X.reshape((batchnum, batchsize, X.shape[1]))
    Y_new = Y.reshape((batchnum, batchsize, ))

    for i in range(batchnum):
        yield X_new[i, :, :], Y_new[i, :]

损失函数

def mse(X: np.ndarray, Y: np.ndarray, W: np.ndarray):
    return 0.5 * np.mean(np.square(X@W-Y))

def diff_mse(X: np.ndarray, Y: np.ndarray, W: np.ndarray):
    return X.T@(X@W-Y) / X.shape[0]

训练

首先定义超参数

lr = 0.001          # 学习率
num_epochs = 1000   # 训练周期
batch_size = 64     # |每个batch包含的样本数
validate_every = 4  # 多少个周期进行一次检验

定义训练函数

def train(num_epochs: int, batch_size: int, validate_every: int, W0: np.ndarray, X_train: np.ndarray, Y_train: np.ndarray, X_test: np.ndarray, Y_test: np.ndarray):
    loop = tqdm(range(num_epochs))
    loss_train = []
    loss_validate = []
    W = W0
    # 遍历epoch
    for epoch in loop:
        loss_train_epoch = 0
        # 遍历batch
        for x_batch, y_batch in get_batch(64, X_train, Y_train):
            loss_batch = mse(X=x_batch, Y=y_batch, W=W)
            loss_train_epoch += loss_batch*x_batch.shape[0]/X_train.shape[0]
            grad = diff_mse(X=x_batch, Y=y_batch, W=W)
            W = W - lr*grad

        loss_train.append(loss_train_epoch)
        loop.set_description(f'Epoch: {epoch}, loss: {loss_train_epoch}')

        if 0 == epoch%validate_every:
            loss_validate_epoch = mse(X=X_test, Y=Y_test, W=W)
            loss_validate.append(loss_validate_epoch)
            print('============Validate=============')
            print(f'Epoch: {epoch}, train loss: {loss_train_epoch}, val loss: {loss_validate_epoch}')
            print('================================')
    plot_loss(np.array(loss_train), np.array(loss_validate), validate_every)

运行

W0 = np.random.random(size=(X.shape[1], ))  # 初始权重
train(num_epochs=num_epochs, batch_size=batch_size, validate_every=validate_every, W0=W0, X_train=X_train, Y_train=Y_train, X_test=X_test, Y_test=Y_test)

结果如下:

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qZGpALoK-1676738656386)(C:\Users\15646\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20230219003541195.png)]

最后画一下损失函数图:

from matplotlib import pyplot as plt
def plot_loss(loss_train: np.ndarray, loss_val: np.ndarray, validate_every: int):
    %matplotlib
    x = np.arange(0, loss_train.shape[0], 1)
    plt.plot(x, loss_train, label='train')
    x = np.arange(0, loss_train.shape[0], validate_every)
    plt.plot(x, loss_val, label='validate')
    plt.legend()
    plt.title('loss')
    plt.show()

在这里插入图片描述

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