PyTorch回归任务

回归任务概述：通过pytorch搭建神经网络，进行气温的预测
回归任务可以看作 y = kx + b
y为需要进行回归预测的值

下面对实验步骤进行整理

导入相关的库

import numpy as np
import pandas as pd 
import matplotlib.pyplot as plt
import torch
import torch.optim as optim
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")
%matplotlib inline

主要包括了相关的科学计算库，和torch中的优化器

查看并说明数据集

features = pd.read_csv('temps.csv')

#看看数据长什么样子
features.head()

数据表中

• year,moth,day,week分别表示的具体的时间
• temp_2：前天的最高温度值
• temp_1：昨天的最高温度值
• average：在历史中，每年这一天的平均最高温度值
• actual：这就是我们的标签值了，当天的真实最高温度
• friend：这一列可能是凑热闹的，你的朋友猜测的可能值，咱们不管它就好了

查看并输出数据的维度
数据维度: (348, 9)

print('数据维度:', features.shape)

将时间进行格式化并输出格式化的结果

# 处理时间数据
import datetime

# 分别得到年，月，日
years = features['year']
months = features['month']
days = features['day']

# datetime格式
dates = [str(int(year)) + '-' + str(int(month)) + '-' + str(int(day)) for year, month, day in zip(years, months, days)]
dates = [datetime.datetime.strptime(date, '%Y-%m-%d') for date in dates]
dates[:5]

绘图将多个数据进行显示便于对比

设置子图布局完成子图的绘制 4个子图
时间设置倾斜

# 准备画图
# 指定默认风格
plt.style.use('fivethirtyeight')

# 设置布局
fig, ((ax1, ax2), (ax3, ax4)) = plt.subplots(nrows=2, ncols=2, figsize = (10,10))
fig.autofmt_xdate(rotation = 45)

# 标签值
ax1.plot(dates, features['actual'])
ax1.set_xlabel(''); ax1.set_ylabel('Temperature'); ax1.set_title('Max Temp')

# 昨天
ax2.plot(dates, features['temp_1'])
ax2.set_xlabel(''); ax2.set_ylabel('Temperature'); ax2.set_title('Previous Max Temp')

# 前天
ax3.plot(dates, features['temp_2'])
ax3.set_xlabel('Date'); ax3.set_ylabel('Temperature'); ax3.set_title('Two Days Prior Max Temp')

# 我的逗逼朋友
ax4.plot(dates, features['friend'])
ax4.set_xlabel('Date'); ax4.set_ylabel('Temperature'); ax4.set_title('Friend Estimate')

plt.tight_layout(pad=2)

使用one-hot编码对星期字符串进行处理

# 独热编码
features = pd.get_dummies(features)
features.head(5)

在训练之前对数据特征进行预处理

去除特征中的标签项

# 标签
labels = np.array(features['actual'])

# 在特征中去掉标签
features= features.drop('actual', axis = 1)

# 名字单独保存一下，以备后患
feature_list = list(features.columns)

# 转换成合适的格式
features = np.array(features)

查看新的数据特征的维度

features.shape

使用sklearn库结合标准正态分布的相关理论对整体的数据进行标准化的处理

from sklearn import preprocessing
input_features = preprocessing.StandardScaler().fit_transform(features)

input_features[0]

构建网络模型

将narrdry格式转化为tensor（张量）进行输入

x = torch.tensor(input_features, dtype = float)

y = torch.tensor(labels, dtype = float)

在神经网络的隐层中设置128个神经元，因为每一条数据拥有14个特征，因此设置一个14x128的特征矩阵，这时的b1需要更新的此时为128x1

在进行结果输出是，只需要输出一个结果所以定义一个128*1的特征矩阵，此时的b2只需要更新1次

# 权重参数初始化
weights = torch.randn((14, 128), dtype = float, requires_grad = True) 
biases = torch.randn(128, dtype = float, requires_grad = True) 
weights2 = torch.randn((128, 1), dtype = float, requires_grad = True) 
biases2 = torch.randn(1, dtype = float, requires_grad = True) 

设置学习率和损失值

learning_rate = 0.001 
losses = []

通过矩阵的乘法计算w1x+b1
计算隐层
hidden = x.mm(weights) + biases

加入激活函数进行非线性处理
加入激活函数
hidden = torch.relu(hidden)

之后通过w2和b2来计算与预测的结果
预测结果
predictions = hidden.mm(weights2) + biases2

通过与真实结果的比较来计算损失函数，结合反向传播的算法更新参数信息，沿着梯度值的方向和学习率进行更新操作

#返向传播计算
    loss.backward()
    
    #更新参数
    weights.data.add_(- learning_rate * weights.grad.data)  
    biases.data.add_(- learning_rate * biases.grad.data)
    weights2.data.add_(- learning_rate * weights2.grad.data)
    biases2.data.add_(- learning_rate * biases2.grad.data)

梯度的反方向进行更新
迭代完成之后进行清0处理

每次迭代都得记得清空
weights.grad.data.zero_()
biases.grad.data.zero_()
weights2.grad.data.zero_()
biases2.grad.data.zero_()

x = torch.tensor(input_features, dtype = float)

y = torch.tensor(labels, dtype = float)

# 权重参数初始化
weights = torch.randn((14, 128), dtype = float, requires_grad = True) 
biases = torch.randn(128, dtype = float, requires_grad = True) 
weights2 = torch.randn((128, 1), dtype = float, requires_grad = True) 
biases2 = torch.randn(1, dtype = float, requires_grad = True) 

learning_rate = 0.001 
losses = []

for i in range(1000):
    # 计算隐层
    hidden = x.mm(weights) + biases
    # 加入激活函数
    hidden = torch.relu(hidden)
    # 预测结果
    predictions = hidden.mm(weights2) + biases2
    # 通计算损失
    loss = torch.mean((predictions - y) ** 2) 
    losses.append(loss.data.numpy())
    
    # 打印损失值
    if i % 100 == 0:
        print('loss:', loss)
    #返向传播计算
    loss.backward()
    
    #更新参数
    weights.data.add_(- learning_rate * weights.grad.data)  
    biases.data.add_(- learning_rate * biases.grad.data)
    weights2.data.add_(- learning_rate * weights2.grad.data)
    biases2.data.add_(- learning_rate * biases2.grad.data)
    
    # 每次迭代都得记得清空
    weights.grad.data.zero_()
    biases.grad.data.zero_()
    weights2.grad.data.zero_()
    biases2.grad.data.zero_()

更简单的构建网络模型

input_size = input_features.shape[1]
hidden_size = 128
output_size = 1
batch_size = 16 #16个批次进行训练
my_nn = torch.nn.Sequential(
    torch.nn.Linear(input_size, hidden_size),
    torch.nn.Sigmoid(),
    torch.nn.Linear(hidden_size, output_size),
)
cost = torch.nn.MSELoss(reduction='mean')
optimizer = torch.optim.Adam(my_nn.parameters(), lr = 0.001)

训练网络得到对应的结果

# 训练网络
losses = []
for i in range(1000):
    batch_loss = []
    # MINI-Batch方法来进行训练
    for start in range(0, len(input_features), batch_size):
        end = start + batch_size if start + batch_size < len(input_features) else len(input_features)
        xx = torch.tensor(input_features[start:end], dtype = torch.float, requires_grad = True)
        yy = torch.tensor(labels[start:end], dtype = torch.float, requires_grad = True)
        prediction = my_nn(xx)
        loss = cost(prediction, yy)
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward(retain_graph=True)
        optimizer.step()
        batch_loss.append(loss.data.numpy())
    
    # 打印损失
    if i % 100==0:
        losses.append(np.mean(batch_loss))
        print(i, np.mean(batch_loss))

得到预测结果并绘制图像

其中红色代表的是与预测值

# 转换日期格式
dates = [str(int(year)) + '-' + str(int(month)) + '-' + str(int(day)) for year, month, day in zip(years, months, days)]
dates = [datetime.datetime.strptime(date, '%Y-%m-%d') for date in dates]

# 创建一个表格来存日期和其对应的标签数值
true_data = pd.DataFrame(data = {'date': dates, 'actual': labels})

# 同理，再创建一个来存日期和其对应的模型预测值
months = features[:, feature_list.index('month')]
days = features[:, feature_list.index('day')]
years = features[:, feature_list.index('year')]

test_dates = [str(int(year)) + '-' + str(int(month)) + '-' + str(int(day)) for year, month, day in zip(years, months, days)]

test_dates = [datetime.datetime.strptime(date, '%Y-%m-%d') for date in test_dates]

predictions_data = pd.DataFrame(data = {'date': test_dates, 'prediction': predict.reshape(-1)}) 
# 真实值
plt.plot(true_data['date'], true_data['actual'], 'b-', label = 'actual')

# 预测值
plt.plot(predictions_data['date'], predictions_data['prediction'], 'ro', label = 'prediction')
plt.xticks(rotation = '60'); 
plt.legend()

# 图名
plt.xlabel('Date'); plt.ylabel('Maximum Temperature (F)'); plt.title('Actual and Predicted Values');

此时并没有出现预测值过拟合的问题