文章目录
- 🍀引言
- 🍀随机、批量梯度下降的差异
- 🍀随机梯度下降的实现
- 🍀随机梯度下降的调试
🍀引言
随机梯度下降是一种优化方法，主要作用是提高迭代速度，避免陷入庞大计算量的泥沼。在每次更新时，随机梯度下降只使用一个样本中的一个例子来近似所有的样本，来调整参数，虽然不是全局最优解，但很多时候是可接受的。
前两篇主要介绍了一下批量梯度下降，本节前部分主要介绍一下随机梯度下降
🍀随机、批量梯度下降的差异
随机梯度下降和批量梯度下降都是常用的优化方法，它们在处理大规模数据集时都有自己的优点和缺点。以下是它们的不同点：
-
相同点：
两种方法都用于优化目标函数，通过迭代地更新参数来最小化目标函数。在每一步迭代中，它们都会根据当前参数的梯度来更新参数。 -
不同点：
（1）样本的使用方式：在随机梯度下降中，每次迭代只使用**一个样本**来计算梯度；而在批量梯度下降中，每次迭代会使用整个数据集来计算梯度。因此，随机梯度下降在处理大规模数据集时更高效，因为它不需要加载整个数据集到内存中。（2）收敛速度：由于随机梯度下降每次只使用一个样本来计算梯度，因此它的收敛速度通常比批量梯度下降更快。但是，随机梯度下降的收敛可能更加波动，因为每次迭代的样本可能不同。
（3）准确度：批量梯度下降的准确度通常比随机梯度下降更高。因为批量梯度下降会使用整个数据集来计算梯度，因此它的更新更精确。但是，在处理大规模数据集时，批量梯度下降可能会遇到内存不足的问题。
这里可以通过下列图来进行简单的说明
上面这种图是批量梯度下降的主要公式，前两篇文章已经介绍了
上面的这张图指的就是随机梯度下降的主要公式了，我们可以看到求个符号消失了
🍀随机梯度下降的实现
导入必要的库
import numpy as np
选取100000个数据作为测试数据
m = 100000
x = np.random.random(size=m)
y = x*3+4+np.random.normal(size=m) # 后面的添加的噪音
注意：后面加了一个噪音目的是使得原有的数据添加一些随机性，省的太假了~
之后我们需要编写两个函数，前一个函数主要是用来计算样本的梯度，后一个函数主要包括计算学习率以及循环判断
def sgd(X_b,y,initial_theta,n_iters,epsilon=1e-8):
def learning_rate(i_iter):
t0=5
t1 = 50
return t0/(i_iter+t1)
theta = initial_theta
i_iter = 1
while i_iter<=n_iters:
index=np.random.randint(0,len(X_b))
x_i = X_b[index]
y_i = y[index]
gradient = dj_sgd(theta,x_i,y_i)
theta = theta-gradient*learning_rate(i_iter)
i_iter+=1
return theta
注意：在学习率的计算采用模拟退火思想，目的是为了控制参数的变化来影响行为，从而达到更好的优化效果。
之后我们需要使用numpy库中的hstack函数在x左侧添加一列
X_b = np.hstack([np.ones((len(x),1)),x]) # 左测增加一列
在添加前，我们需要将x转成矩阵
x = x.reshape(-1,1)
运行结果如下
之后我们需要设置initial_theta初始值
initial_theta = np.zeros(X_b.shape[1])
前提的准备做完就可以验证了
%%time
sgd(X_b,y,initial_theta,n_iters=m//4)
运行结果如下
返回的值，分别近似截距和系数
我们可以将代码再优化一下
def sgd(X_b, y, initial_theta, n_iters, epsilon=1e-8):
def learning_rate(i_iter):
t0 = 5
t1 = 50
return t0 / (i_iter + t1)
theta = initial_theta # 初始化模型参数
m = len(X_b) # 样本数量
for cur_iter in range(n_iters): # 迭代n_iters次，每轮迭代看一遍整个样本
random_indexs = np.random.permutation(m) # 随机打乱样本的顺序，用于随机梯度下降
X_random = X_b[random_indexs] # 打乱后的特征数据
y_random = y[random_indexs] # 打乱后的标签数据
for i in range(m): # 遍历每个样本
# 使用学习率learning_rate(cur_iter*m+i)来更新模型参数theta，通过梯度dj_sgd计算
theta = theta - learning_rate(cur_iter * m + i) * dj_sgd(theta, X_random[i], y_random[i])
return theta # 返回优化后的模型参数
这个函数使用了随机梯度下降算法来更新模型参数，通过不断地随机选择一个样本进行参数更新，逐渐优化模型以适应训练数据。学习率随着迭代次数变化，初始较大然后逐渐减小，以有利于收敛到最优解。
🍀随机梯度下降的调试
首先还是做前期的准备
import numpy as np
X = np.random.random(size=(1000,10))
X_b = np.hstack([np.ones((len(X),1)),X])
true_theta = np.arange(1,12,dtype='float') # 这里代表有11个特征值（10个系数，1个截距）
y = X_b.dot(true_theta) + np.random.normal(size=len(X))
之后我们分别才有两种方法进行调试
首先是dj_math
这个函数用于计算线性回归中的成本函数（通常是均方误差）相对于参数 theta 的梯度，采用了矢量化的方法。这是数学公式：
- X_b 是包含偏置项的特征矩阵（通常是原始特征矩阵的一列加上全部为 1 的列）。
- y 是目标向量。
- theta 是待更新的参数向量。
- m 是训练样本的数量。
def dj_math(theta,X_b,y):
return X_b.T.dot(X_b.dot(theta)-y)*2./len(X_b)
其次是dj_debug
这个函数使用数值逼近方法来计算成本函数相对于参数的梯度。它通过轻微地扰动每个参数 theta[i] 并测量成本函数 j 的变化来估计梯度。这是数学公式：
- theta 是参数向量。
- X_b 是包含偏置项的特征矩阵。
- y 是目标向量。
- i 是被扰动的参数的索引。
- epsilon 是用于扰动的小值。
def dj_debug(theta,X_b,y):
res=np.empty(len(theta))
epsilon = 0.01
for i in range(len(theta)):
theta1 = theta.copy()
theta2 = theta.copy()
theta1[i] +=epsilon
theta2[i] -=epsilon
res[i] = (j(theta1,X_b,y)-j(theta2,X_b,y))/(2*epsilon)
return res
这种数值逼近通常用于调试和验证梯度计算的正确性，特别是在梯度下降等基于梯度的优化算法中，有助于优化参数 theta 的训练过程
完整代码如下
def j(theta,X_b,y):
try:
return np.sum((X_b.dot(theta)-y)**2)/len(X_b)
except:
return float('inf')
def dj_math(theta,X_b,y):
return X_b.T.dot(X_b.dot(theta)-y)*2./len(X_b)
def dj_debug(theta,X_b,y):
res=np.empty(len(theta))
epsilon = 0.01
for i in range(len(theta)):
theta1 = theta.copy()
theta2 = theta.copy()
theta1[i] +=epsilon
theta2[i] -=epsilon
res[i] = (j(theta1,X_b,y)-j(theta2,X_b,y))/(2*epsilon)
return res
def gradient_descent(dj,X_b,y,eta,initial_theta,n_iters=1e4,epsilon=1e-8):
theta = initial_theta
i_iter = 1
while i_iter<n_iters:
last_theta = theta
theta =theta- eta*dj(theta,X_b,y)
if abs(j(theta,X_b,y)-j(last_theta,X_b,y))<epsilon:
break
i_iter+=1
return theta
可以分别进行测试一下，显然前者更快一点
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挑战与创造都是很痛苦的，但是很充实。
