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标题:
哈工大2022机器学习实验一:曲线拟合
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作者:
杨利霞
时间:
2022-9-14 16:40
标题:
哈工大2022机器学习实验一:曲线拟合
哈工大2022机器学习实验一:曲线拟合
2 \. k9 w8 F0 p$ E `! [. S
# G; l. j+ u/ s- b, F$ v7 i' E
这个实验的要求写的还是挺清楚的(与上学期相比),本博客采用python实现,科学计算库采用numpy,作图采用matplotlib.pyplot,为了简便在文件开头import如下:
" p: A2 ?8 W4 g6 W0 \" z% F
. |. o9 _( _0 v( t6 l9 }1 _. s" ]% e5 N
import numpy as np
6 m W( \1 v8 k+ {4 \2 w
import matplotlib.pyplot as plt
: q. |" W2 V8 R
1
; A: X- `* C7 h0 ^
2
0 t) i$ z6 g/ [, z& ^. ~9 S
本实验用到的numpy函数
4 q9 z, o9 c2 u' k/ ]' F5 K
一般把numpy简写为np(import numpy as np)。下面简单介绍一下实验中用到的numpy函数。下面的代码均需要在最前面加上import numpy as np。
. s* T8 X! L1 Y# u2 Q) a) O
* c3 m$ h" y1 g0 Y
np.array
" Y# ?3 b+ o6 t$ W& P& z* X
该函数返回一个numpy.ndarray对象,可以理解为一个多维数组(本实验中仅会用到一维(可以当作列向量)和二维(矩阵))。下面用小写的x \pmb x
: r# L& B/ v, \ N. Q
x
! G" @" M$ I/ {8 Y
x表示列向量,大写的A AA表示矩阵。A.T表示A AA的转置。对ndarray的运算一般都是逐元素的。
' f4 ?' X* s! D* l& N
" Q- _( C% d5 T1 ^7 k
>>> x = np.array([1,2,3])
3 \. l; S& d! ^( t) u5 K
>>> x
% m7 u, q# c0 o$ G6 \. i' Q6 v
array([1, 2, 3])
2 r9 v3 k' `3 g' B4 P7 b
>>> A = np.array([[2,3,4],[5,6,7]])
" U3 ^7 t* Z) e: A+ G2 g' n2 i# x
>>> A
1 Y- M! f0 |4 V% i/ F
array([[2, 3, 4],
% h, ^5 [* x! x1 f( n1 i6 y; o
[5, 6, 7]])
: e" f$ U2 ]! k l0 \" @4 _1 S0 p; |; J
>>> A.T # 转置
7 j' [; ~0 `% y, }5 _: Q
array([[2, 5],
9 l. Q* \8 L9 \$ ]6 }5 c% F S
[3, 6],
6 v% j5 B* V# i9 b# [. m- L; C
[4, 7]])
' X3 G N* a( `9 W# C9 A' H
>>> A + 1
! u" J1 K/ Y4 o: {# S
array([[3, 4, 5],
8 |" N/ k8 O) X0 e; _* a
[6, 7, 8]])
( ~+ L! _! R4 l
>>> A * 2
# a$ P1 }2 P k
array([[ 4, 6, 8],
1 _7 k0 x4 Y5 H( R
[10, 12, 14]])
# u- T& K+ A! p" B
) u7 p4 L* o) H
1
* } S! a0 l9 p: l8 p
2
! m0 }1 ?* j; V9 S [
3
3 W, t$ h) {* D! k# [ E( P
4
5 k2 }' j, w* Z2 J/ Y+ o7 }% P" ]
5
\) z4 e# ~" S9 D! j0 d- J
6
8 l- `3 [& T5 v/ B) a! _
7
! z! v! U3 Y& @1 P8 {' c, W
8
, P W# O9 Y* L+ C
9
0 o# s- Y" e& y; U
10
9 b7 r, b+ E3 c) O+ N
11
]9 k/ T7 n9 |8 G& ^' O
12
3 a, q8 T" W1 y
13
2 c' Y5 w" |$ p/ l$ |) ^) z
14
4 [; ^' a- Y+ Q
15
* W! u+ G/ c) {4 d0 q
16
0 D/ f& B: ` o0 y! \
17
+ P( m/ T/ X) c
np.random
5 \" S3 W6 s# e% {
np.random模块中包含几个生成随机数的函数。在本实验中用随机初始化参数(梯度下降法),给数据添加噪声。
7 I! i7 H0 E9 i, U+ [
9 M; N. R" `! ]* d4 G+ h: C
>>> np.random.rand(3, 3) # 生成3 * 3 随机矩阵,每个元素服从[0,1)均匀分布
2 e. n3 a' H; j
array([[8.18713933e-01, 5.46592778e-01, 1.36380542e-01],
) c7 ~' }1 ~6 N: ?" I8 e8 X9 u" G9 X
[9.85514865e-01, 7.07323389e-01, 2.51858374e-04],
+ a5 \& `% ^3 E: @2 |! ?. D/ @* R4 i
[3.14683662e-01, 4.74980699e-02, 4.39658301e-01]])
# Y6 u) _% B( @$ K' `
5 q* g+ I. O, H* ?
>>> np.random.rand(1) # 生成单个随机数
7 e6 M6 i. U+ [' ~
array([0.70944563])
8 g: ^9 p2 `) K
>>> np.random.rand(5) # 长为5的一维随机数组
9 d; R+ H$ |1 w
array([0.03911319, 0.67572368, 0.98884287, 0.12501456, 0.39870096])
, T- j/ E4 |( b+ W# _
>>> np.random.randn(3, 3) # 同上,但每个元素服从N(0, 1)(标准正态)
1 b) d3 q6 V% H0 j
1
% `. @; C- g: e2 J6 f8 g% g
2
% i, T- {. X8 D& d F
3
% P( R* t; J1 t* I, Q8 Q6 d# p T
4
3 [, n- F7 h( b8 q! b# f# M
5
# y2 N( j9 ^2 r& K# L4 X
6
9 S% ~3 E0 G6 W( P# m# s' q2 E: c
7
) j3 T9 Y( `9 x& h9 p$ H0 C/ S( C; r
8
; ^& N4 }. D9 a5 r% d
9
% k( A) V! b# w
10
6 P$ e0 u* l- M% ~* I! w0 q% \
数学函数
6 S% I" g$ t% [8 ?( ^* [7 w+ c
本实验中只用到了np.sin。这些数学函数是对np.ndarray逐元素操作的:
9 j1 j* q( q0 ^0 r" O
# Y) R. \) D0 f! E
>>> x = np.array([0, 3.1415, 3.1415 / 2]) # 0, pi, pi / 2
5 ~- i: y% g/ ~* l' f" S
>>> np.round(np.sin(x)) # 先求sin再四舍五入: 0, 0, 1
, Q5 ^+ Z0 U) s; `. I$ b
array([0., 0., 1.])
; Z# z7 M7 J+ j1 k. d5 X
1
8 v( I D' \8 e% z* I$ d
2
0 t& L9 D; _9 F8 y r+ f
3
& I* L6 r6 i2 ]" t# e. }6 f6 k( o
此外,还有np.log、np.exp等与python的math库相似的函数(只不过是对多维数组进行逐元素运算)。
6 e' i& P1 _9 O; @* f
/ O, u1 x1 i, ]# [5 B
np.dot
: X! k0 ~ H( ]* Z# t
返回两个矩阵的乘积。与线性代数中的矩阵乘法一致。要求第一个矩阵的列等于第二个矩阵的行数。特殊地,当其中一个为一维数组时,形状会自动适配为n × 1 n\times1n×1或1 × n . 1\times n.1×n.
, ?2 K/ C/ {# r
( x. g2 N; g# ?8 P/ j
>>> x = np.array([1,2,3]) # 一维数组
' D8 Q! X5 s# n1 A/ U6 P
>>> A = np.array([[1,1,1],[2,2,2],[3,3,3]]) # 3 * 3矩阵
3 a$ ? F9 n7 X3 s: J
>>> np.dot(x,A)
* x* B5 B. X8 \" \4 b: K
array([14, 14, 14])
) Y8 p) j+ i. u
>>> np.dot(A,x)
3 o& L; j+ Q1 N" V/ o
array([ 6, 12, 18])
' u4 T& G" k5 A0 ^2 c. t: C
6 f; C, l S/ i! S1 n, O' E$ B
>>> x_2D = np.array([[1,2,3]]) # 这是一个二维数组(1 * 3矩阵)
( Q$ l: g+ v' x# h& ~) H+ E; C6 J
>>> np.dot(x_2D, A) # 可以运算
0 [) \! Y% ^$ s& [
array([[14, 14, 14]])
/ N$ z, a1 W0 v* H
>>> np.dot(A, x_2D) # 行列不匹配
7 k! }0 ~/ g9 X! |9 L% N
Traceback (most recent call last):
' F0 @0 F! m$ ^
File "<stdin>", line 1, in <module>
7 k$ J A# O% o2 O2 v7 U
File "<__array_function__ internals>", line 5, in dot
9 d0 p( n2 W; S0 T, W
ValueError: shapes (3,3) and (1,3) not aligned: 3 (dim 1) != 1 (dim 0)
6 h9 E$ U6 O5 p2 A& p
1
" I3 K9 c V, N7 ~
2
4 |& X8 b# C, i( y
3
7 S8 p* ?* Z5 {$ n( ~* ]
4
+ {3 C! J( w7 r& ~
5
3 e6 w( Y- q6 v
6
2 g, ?4 k& w- M* }7 |
7
& o0 L) o) z) m& [% {( ~$ C
8
# X Z% a6 ?6 Y/ p' c, O/ }0 K# Z
9
7 `$ J% C# i! C, M
10
! Q" t$ y( v$ @3 N( L+ H) x
11
8 z4 @' M8 \; G. `/ Z+ y
12
) a" h- q" j0 X, c9 Q* C
13
% C! v: c' {$ @. i4 I i0 Z, e3 U
14
: j# b, A* C4 u/ o7 J! R
15
. T4 W' f9 c# B( I# E
np.eye
1 X( x$ [; r+ G" \2 H! d5 N
np.eye(n)返回一个n阶单位阵。
3 F+ a s7 ]; L4 z& Y9 g
' s: ]5 X7 J. t, I+ U
>>> A = np.eye(3)
1 i" _7 d/ m& ^0 }8 J& C
>>> A
5 p' n: |; o3 k. Y2 O7 F6 J
array([[1., 0., 0.],
0 I, _ k7 ^$ J
[0., 1., 0.],
4 N! }+ V# `4 D8 p- N+ i) r7 S
[0., 0., 1.]])
0 A' O& E7 Q5 l* x" B) S7 \
1
/ u ]9 j( W& a- V# k
2
" {4 W' l0 ~- f3 U6 H2 a2 j
3
! X: f% o; J! I6 ~& [& ?
4
) s' v+ X! A! I" X1 N
5
- J H' l# [5 y: `% e( u: F# B) J
线性代数相关
( ?. ]; d m4 s2 `8 r, E: B
np.linalg是与线性代数有关的库。
( u3 G5 X c5 [ A
& X9 ] s+ @1 w
>>> A
+ P7 |" S) [1 C+ E v: h
array([[1, 0, 0],
1 ?. X3 q' @; F5 ]
[0, 2, 0],
1 F2 D* t! i" d1 N( h# }
[0, 0, 3]])
" H4 m, ] \4 b$ J/ O
>>> np.linalg.inv(A) # 求逆(本实验不考虑逆不存在)
: u' q6 O+ J! [" p
array([[1. , 0. , 0. ],
. I" I/ l4 w9 p, G7 Y
[0. , 0.5 , 0. ],
7 W* f7 ]) F% Q4 S; ]/ t0 v
[0. , 0. , 0.33333333]])
. }. Q8 i4 E5 N" p3 z: u& e X U" N
>>> x = np.array([1,2,3])
# f- e# D5 y* @' b
>>> np.linalg.norm(x) # 返回向量x的模长(平方求和开根号)
" f4 i$ j. u0 ?9 P
3.7416573867739413
# S" k* [, \* |; W4 E: ^7 t- j ^
>>> np.linalg.eigvals(A) # A的特征值
7 Y/ o/ d" @8 y9 `4 P1 }9 {
array([1., 2., 3.])
1 Y- ]. ]. d2 l Z* M0 _* b7 F% o
1
: X3 x3 ]8 E9 t& y$ {# M3 w
2
( m# B6 p& y& o, I! y; x
3
: }% V8 B; }5 @" O% H
4
! b! q9 ?* X! Q* V: E- f
5
! a3 y: G e" X0 Q) z! J/ y
6
4 ~/ q+ e+ H. m3 P
7
/ O {, X6 t& `4 H, v, L3 m
8
+ L- F1 l9 k+ O+ k; {) B" {2 I
9
7 i1 E; Q. y/ \4 |. K0 d6 P1 d
10
4 j i2 l2 y# |" e+ Y( F
11
+ \& E# c# @( I5 o5 P
12
. x7 [) o) u4 H: Y
13
& K4 ]( i! L B, |. i
生成数据
6 s; Y' G6 s- M+ z2 j3 l g
生成数据要求加入噪声(误差)。上课讲的时候举的例子就是正弦函数,我们这里也采用标准的正弦函数y = sin x . y=\sin x.y=sinx.(加入噪声后即为y = sin x + ϵ , y=\sin x+\epsilon,y=sinx+ϵ,其中ϵ ~ N ( 0 , σ 2 ) \epsilon\sim N(0, \sigma^2)ϵ~N(0,σ
. A# A5 U6 B6 J) v- T
2
" U: Z/ ~: e* X
),由于sin x \sin xsinx的最大值为1 11,我们把误差的方差设小一点,这里设成1 25 \frac{1}{25}
2 e( H! f1 f% i6 P
25
+ {' z% G1 D- |+ W
1
* Y ]+ f! a& `# L! b" s! X, R
- ]9 {1 d) j2 G. h1 C# v) q
)。
. H- y" ~4 E5 u- B
" w7 ]9 t* q& S7 h; N% R' R
'''
! A: ?- v3 n" y! y; L4 a3 a
返回数据集,形如[[x_1, y_1], [x_2, y_2], ..., [x_N, y_N]]
7 y0 J {6 f6 [. J
保证 bound[0] <= x_i < bound[1].
1 L8 z* {9 ^1 Y* L! x
- N 数据集大小, 默认为 100
9 q0 C' E( f' V# y
- bound 产生数据横坐标的上下界, 应满足 bound[0] < bound[1], 默认为(0, 10)
" c' X# R: I& p# O1 J4 i( y
'''
3 d2 j7 @( D# g R7 \! M
def get_dataset(N = 100, bound = (0, 10)):
5 I1 r2 k; b# \6 t$ W6 h. b0 q4 A
l, r = bound
- S, T# [9 W, V6 ]
# np.random.rand 产生[0, 1)的均匀分布,再根据l, r缩放平移
1 I5 V4 q! W- N7 E
# 这里sort是为了画图时不会乱,可以去掉sorted试一试
4 B1 Y$ |: m" ~7 H
x = sorted(np.random.rand(N) * (r - l) + l)
$ k' z! U6 T4 _5 K5 _
. v5 G* n6 O: m. ^
# np.random.randn 产生N(0,1),除以5会变为N(0, 1 / 25)
! g+ ?8 ^3 W/ \) b$ V; U3 o
y = np.sin(x) + np.random.randn(N) / 5
; K% [" S2 S7 F
return np.array([x,y]).T
" `/ b {% g& Z: Q8 i5 v
1
. G! Q% l2 G+ e% E) }( i0 h- |
2
/ p' h# X" u! Q$ u, E0 _
3
6 F! h6 _: ~. ~6 k
4
, E# }2 v, h1 E3 L# O3 e7 v
5
- y6 q- \, @% ~
6
0 l) D; ?9 e, V7 O
7
; ?6 y$ [7 r& k1 F6 {" [ E8 p4 K
8
- r( \; I/ ]2 e) D: i: b$ Y! X
9
5 k; x7 ]) T) e4 _$ k: l
10
" A5 t: n% X' w1 z) P& u
11
) [ [ n8 [3 u0 h# I2 _7 l2 Y
12
% m! d, x2 E' f, W% t! T/ K: b
13
2 K1 A( {& N" g/ X+ T6 q3 p
14
5 N, h& c. j+ B0 o( D# W: G: J6 M
15
$ }: F h8 ?5 b; g' g
产生的数据集每行为一个平面上的点。产生的数据看起来像这样:
' q& |! d0 {7 L& l! @
& u8 x$ a/ ~( S& S; b( W
隐隐约约能看出来是个正弦函数的形状。产生上面图像的代码如下:
L9 L, Q" [5 z4 m6 W# |
5 I$ I5 j& `9 h& d
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
) V+ x, e; H5 q, S5 S
# 绘制数据集散点图
9 p" U+ j- U- `5 j
for [x, y] in dataset:
- |3 R7 W: b, @3 T
plt.scatter(x, y, color = 'red')
: s: E. Y3 G4 v! X5 W' b
plt.show()
$ V7 `/ g. Q" H8 y( V
1
% l4 l# L+ R. N
2
- N; y" d8 f5 Q. [3 @
3
% g) O4 u$ F/ f8 y/ Y2 o
4
9 Z3 E1 N5 R8 O7 r: z+ J, `0 j
5
- M0 j7 N7 ]$ i3 D) f! X! o
最小二乘法拟合
. T' [ `9 i" x0 @7 A! e) Q
下面我们分别用四种方法(最小二乘,正则项/岭回归,梯度下降法,共轭梯度法)以用多项式拟合上述干扰过的正弦曲线。
% T3 s$ ^( J4 r$ w: {) W r; J
3 n: u- ]. [; Q& I6 S, }
解析解推导
7 c2 d/ d u4 s& {
简单回忆一下最小二乘法的原理:现在我们想用一个m mm次多项式
4 B+ [' m7 `. z6 w1 v
f ( x ) = w 0 + w 1 x + w 2 x 2 + . . . + w m x m f(x)=w_0+w_1x+w_2x^2+...+w_mx^m
, } s3 c3 y& |) ^4 ^ S& ?& ?. g
f(x)=w
- s7 s+ o. j- W8 y
0
8 m- s# X Z5 r* ~7 r7 H) F- {1 |. x
. y" u5 f8 a6 o1 U
+w
0 a6 Y9 `1 _8 y/ b
1
* y$ U; q2 s% L2 O" h
, P/ i4 q7 ]3 R, Q
x+w
# D7 j+ x1 V# g. w/ A' J- N2 b
2
J0 D3 c' ^* U* v$ l9 K3 h4 ^1 q
$ s& v3 U: H |% Q1 i( J! y3 `
x
2 i" q0 s! P+ f
2
- f$ O& |. x/ X. _$ ^
+...+w
: E, q4 E. M/ Z* F
m
2 r' T/ a: x* q8 U1 U6 U
* g, G8 k0 o. d; r' n# p8 c
x
V9 W' k8 A3 ~ {
m
3 g0 X7 N& o* L$ V* s
6 D5 n7 {8 C: }# u
- Y, p. s+ Y: Y/ E
来近似真实函数y = sin x . y=\sin x.y=sinx.我们的目标是最小化数据集( x 1 , y 1 ) , ( x 2 , y 2 ) , . . . , ( x N , y N ) (x_1,y_1),(x_2,y_2),...,(x_N,y_N)(x
9 O! v, B+ B/ }4 w
1
; l) L/ Q/ x: |" v) w! c
( D! r1 o# J) ]4 n# y- I2 y- s
,y
* c- y. v/ w( S& E" k2 v
1
8 M* {5 i% S r' e" [
, q P3 X7 ]& g& q
),(x
5 r/ c$ I, f4 r' q
2
; w" ~7 n. s9 E
! T# h2 v( t" J7 z: |
,y
7 K2 V4 ?, G/ P+ K2 U3 v
2
: j/ N$ S+ r+ o; C; T( N1 p
0 ?7 S: A6 @4 F" G5 W& U }
),...,(x
8 e8 s! h N- G( @3 j w' y' B
N
9 X/ E4 }* R2 F+ C+ N: e( _: p# Q8 w
% u" t) F: f+ C1 }
,y
4 |' R( E) C# u6 R
N
$ m& i. J( s1 S6 y- M
& ]. u# n+ C" C
)上的损失L LL(loss),这里损失函数采用平方误差:
: S- I! B% C" k- [
L = ∑ i = 1 N [ y i − f ( x i ) ] 2 L=\sum\limits_{i=1}^N[y_i-f(x_i)]^2
+ E5 o+ Q+ X: D5 E9 a
L=
3 {( u, z3 Z+ a8 P5 ~% ?% C! n
i=1
n: d T9 u' G6 A* S- q
∑
! \6 z3 M3 q8 h7 L' `
N
1 Q; `6 X; v+ C" Q' T6 c. C1 b
+ w/ u9 {( X/ D& V! w* q" Q
[y
8 k9 G6 v( d9 v8 M2 k5 I
i
. X6 f. G2 L( W' o+ W* J
, n( J: p! Q; b9 R5 F I
−f(x
0 A3 j$ b; e* `) R( s% e
i
; _2 v5 U V* F- y! w
; _# k' |1 E' d! [7 ?% E
)]
+ k0 U& t/ g3 V, Z, t6 w0 \- }. \
2
7 F: U# S; c2 D0 |7 x) |
. B. a" g3 }) D. S! f2 A3 g, J
! I& X' o4 E2 D% ~/ ^. h" P# X
为了求得使均方误差最小(因此最贴合目标曲线)的参数w 0 , w 1 , . . . , w m , w_0,w_1,...,w_m,w
+ Q4 |! R3 w/ U: V7 ?0 Z
0
1 w7 W6 i) I% D5 @' M
" J, ~ p% A* `+ I+ Y9 v5 A9 Q5 K
,w
8 O% Y5 o- U Y
1
& a3 u: o3 j+ \; |* _
. }) H I7 @+ ^1 m
,...,w
% l5 W3 U9 R8 N6 D$ D4 C2 A& `
m
& \9 f, Q) Y8 z/ ]
3 ^2 Z" G# f9 s4 A+ Y% S( R. s& g
,我们需要分别求损失L LL关于w 0 , w 1 , . . . , w m w_0,w_1,...,w_mw
# w9 J. f- z. M$ b; Z
0
! j: ~7 ^9 o/ ^0 ^% c
2 c% p$ J5 a0 b& |3 y
,w
1 Q6 `% X+ I6 y9 P$ D3 e- j
1
" |+ a6 l) \% F# j
: ~# H; M7 v6 a6 v7 F5 B8 k8 f
,...,w
$ w) T$ d& X# x, a
m
) U* m9 E2 o" V8 Y0 z/ e" ~
_8 ^- l( `: p) Q
的导数。为了方便,我们采用线性代数的记法:
- I/ G, `9 Z2 H& e- R% T
X = ( 1 x 1 x 1 2 ⋯ x 1 m 1 x 2 x 2 2 ⋯ x 2 m ⋮ ⋮ 1 x N x N 2 ⋯ x N m ) N × ( m + 1 ) , Y = ( y 1 y 2 ⋮ y N ) N × 1 , W = ( w 0 w 1 ⋮ w m ) ( m + 1 ) × 1 . X=
: P, m5 @) @& l5 g6 K5 m5 C
⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜11⋮1x1x2xNx21x22x2N⋯⋯⋯xm1xm2⋮xmN⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟
) G; ] f% H3 i$ h
(1x1x12⋯x1m1x2x22⋯x2m⋮⋮1xNxN2⋯xNm)
8 x$ P( }, O2 h4 ?
_{N\times(m+1)},Y=
/ ?; A& i | t3 B+ S
⎛⎝⎜⎜⎜⎜y1y2⋮yN⎞⎠⎟⎟⎟⎟
: L- k, g: x0 F1 `; f5 j
(y1y2⋮yN)
4 ]; S/ E: z* n6 @2 T5 X
_{N\times1},W=
$ m+ O; e0 S6 B _9 n/ f C
⎛⎝⎜⎜⎜⎜w0w1⋮wm⎞⎠⎟⎟⎟⎟
3 c' i+ P% \: t
(w0w1⋮wm)
. m, E R: l1 x8 f+ H
_{(m+1)\times1}.
1 A( J& r2 p2 u& S3 S! P5 ^
X=
1 _3 F+ g2 e K* h f. Z. r, x
⎝
% s7 R- p" G4 Y6 A2 ^7 y! I4 [
⎛
2 Z6 j/ {' x0 H. s; X1 Y t5 V
% G8 y- Y9 u3 z. w" I2 E
# R) [' T. C& x! G% B8 G6 a/ `7 }
1
( y7 F0 }' e6 U- d: o$ d
1
( i+ K2 u2 x3 y; V" v+ ~
⋮
, x$ j& p( }' Y) r8 d% n5 z
1
5 `0 ], Q- ~- W- h: |
( U9 y- V8 G+ m9 K" A6 o8 Z
0 ]+ Q s8 ]0 Z9 }% e [
x
K Q' f! z* M
1
O- [& Z4 u4 A! }7 v0 q* M: L
" z( M ~, f! `. m4 X9 \& u, q8 Z
2 ]) O: F; d9 d& W
x
4 Z, E. X9 I [- M2 B8 t6 K0 j
2
3 {; ^- v' E# a; S1 c
+ p5 J3 K# y2 | R' c, R% a
9 w( p% x9 X; L6 P0 d% t4 f
x
: k1 l8 k; |7 z5 _% s+ |2 O
N
2 i& D; D1 d+ U3 q0 I" V/ E
* O+ ~/ v5 X- C' Q/ A+ P+ A
- S& l* e0 I/ ]6 a
" ]$ j8 E% j3 X% |( y. W
' H) ?$ f' R3 S
x
# S& ^+ B2 a* a" w$ L8 w: h4 M8 s
1
; f* Q. {9 T8 z) y* d
2
3 o4 @3 h" O6 a4 @
$ G# U, A' z4 Y5 _% Z
3 t5 [7 H# L/ ]
x
3 ?! [( a2 T" i* l9 ^. `
2
+ p- |' P9 Y% J$ P. {
2
5 V1 Q5 @4 @: i0 A5 [8 ^7 b$ _
8 T) n9 s2 R& p, W# q' S$ Z2 E2 h @
" Z9 r) I6 {. m( |& E* V& d
x
& y } A& Q; P- k8 m: n t
N
. m: H/ j) P2 h: K& r
2
' U/ ]& F! g5 {0 K# [! t
7 @+ j$ P* A" z" {" u; Q/ ^* I
6 j6 x$ N+ b4 ^3 [" j. |9 x# U
; z$ I' u$ ~+ S9 X
3 S O+ L0 g% n) M: n/ h
⋯
/ ^9 I. R4 g& l% y& a+ f1 a9 E/ ?
⋯
. o# V H& M$ B
⋯
, p$ j$ m/ Q n& u+ X3 y
% s: {; O( o; A8 V
) w. E6 @& R( V0 k9 m( g' p, H
x
' E( g+ Q3 w! }
1
; ~8 S. g& F) C8 V
m
; a" e" ^* ?( F. `
2 t( U, ]) ]) v2 a' P" `3 b: q$ E
" M, X" C! t4 ~8 `& Y, G) l& Z
x
* Z' y9 T5 T' P: N j
2
' V) Q8 n8 }4 D" Q" Y
m
/ G4 l, S% y8 D, x, a( A3 d$ w6 P
& p* R; w, M1 w3 [( u
. G3 C* ?3 r: w4 {0 |# S" x
⋮
- z1 T( v5 w2 m6 g* _! e0 a2 S R! H
x
* K" k' q1 f" y. s+ |+ D9 z( R
N
% x Q4 Z( x5 B$ |
m
( K6 B" b9 y1 P% [* v. O
1 y+ T5 Y$ ~. q. [
. O( x0 v' h' a, o4 O* p" {
: C2 s! b7 k% y
( g2 Y- Z0 E- c7 ]& {! i- `
⎠
# W4 R/ s( k" B Z
⎞
: G. H. _( j0 I5 ~) M$ a
* t! p {) v5 G2 c5 c
% a1 `- p6 A9 b3 L; ^! P! L
N×(m+1)
) B6 ?) u, H' C, S B
7 r1 _4 u" A% u& l& f( `* D
,Y=
9 ?' o$ H4 u8 V% [
⎝
% I& U/ |7 z& h- [
⎛
( @2 ?7 [$ ^$ \
% a8 T/ l8 k# U1 D( w& j
$ {0 [- m! P. k2 B# p* s# m
y
# O* {. X# D6 ?$ `1 \; B; Q& o
1
# f6 d' I' a$ [7 ?
/ `* w- `3 L5 a& s/ ]
' j* g4 x2 m3 l# H' t$ ? m( l7 p5 z
y
% G% t! x9 l( O
2
* p$ g+ V6 f: F; V% X9 c
! g( |/ W, P6 z
\1 l+ j! i S
⋮
0 g. O* }& b) [' X% M
y
# ]; H$ o" h5 u0 k: }) S" j
N
4 I' ~4 Z# s' P2 }* {4 g0 C# x$ e
; I+ m ]& J' ^$ |
# F1 d( i, C" G% j" Q
1 W7 Y) j" |8 ]; d+ e9 c: e) x, j
, b+ Q6 e+ g k+ Z: ~9 S$ j" ?! r
⎠
) Y1 g6 f) {& \" k
⎞
0 y: Q' c) J) L
" P6 d7 k1 x; \3 l3 e0 W; K
- }+ E( o0 E5 q' I1 N
N×1
- i% l8 j3 }6 M E$ P9 r' X% a4 a6 M
/ `& \) X0 T9 U8 ?6 T8 k" X
,W=
' |7 T$ U$ C7 `( W
⎝
3 d9 q0 B0 W3 ]% k) V' |# }9 U
⎛
6 Z% N8 H9 O5 e1 y0 x
& G" G+ i+ z9 o% p& k4 a
: L# |' C- m: r. H
w
& }' r' l4 _- X' Q) ?6 H! b
0
* x& ~, j# l8 X. C* L5 O- ~! I8 t# \
( w* M) [( w M' l) m9 E8 X" r
# n$ K5 ^8 a& _* G6 `4 n, O9 I
w
4 s7 V: a. }: g4 B( {
1
) Z# i! C0 [: ]3 F
8 R( S9 a9 p+ I1 N; j2 l
8 o/ k$ ]( A! \+ M/ s, u- j4 T
⋮
8 n8 q: @# h- Q
w
0 c" g( {' \$ I; A* F! i, u' l
m
' Y% k2 P3 H/ Z" w Y' X
# e1 s% x7 N2 a9 j
. T/ U5 @$ ?0 I2 j* y
' |6 x$ H) v7 S; n$ ^; R P
: g d4 i5 b- c3 e) @6 X5 }
⎠
7 U$ w& Z: H6 f2 e; ]
⎞
, R0 w% {# @/ Q! p% x+ _, ]
) s/ O0 t6 U+ c$ v* i& w
" W: |& o; S/ s* F
(m+1)×1
' J/ e; E: R) A7 E
2 I. ]" {5 O5 \- l& s0 O( m4 v
.
1 [# U; t8 P0 y& W! c4 d( y
) \1 O! a$ p8 o* ~* \! X( m' c
在这种表示方法下,有
* F! p8 [9 R) ~1 v, W$ h
( f ( x 1 ) f ( x 2 ) ⋮ f ( x N ) ) = X W .
6 P1 v& R& v: P) X. u
⎛⎝⎜⎜⎜⎜f(x1)f(x2)⋮f(xN)⎞⎠⎟⎟⎟⎟
! {# Y. p% u$ n9 x
(f(x1)f(x2)⋮f(xN))
! X2 I3 h9 ^0 t( H$ x+ f5 l7 O
= XW.
. a3 w/ k- I. @+ u* n
⎝
* C' _9 ]5 e- w( I# Y3 i5 f4 ]) h* V
⎛
5 b7 @' r/ q- p8 \$ d5 K
+ j9 [0 p/ v: S) K
) T# \5 a9 S; f; D9 k5 }
f(x
. o" m7 ~" K. D9 W
1
! ? a! y5 W( R5 O/ b
E/ ?4 B0 r* p: H. S
)
m+ ]& n' S5 V
f(x
, N* r! Q( f; c& t; c
2
8 t- `+ i' w$ r) v! R
4 y& H, o3 p6 m# J& s2 D
)
0 Q; F! N [; X% f2 f( |; F, y; m
⋮
- M) D; U; E# q: {% C0 i3 W
f(x
" p+ V- T- c" n8 F
N
5 ?$ G- M7 N9 b
5 y" A$ e9 F, s
)
Z4 g+ I; a" G l7 r) C* ?/ L
0 H9 l% P+ Y" I+ X- E; F3 d
0 ^( \- _5 f6 Y6 s
⎠
p0 {! h" C) s4 N
⎞
3 p* P. M$ y- w, q/ Z; q, T
) z# [. }# V- `; V
=XW.
9 ^! a' J3 k% X ] @9 L
6 P+ M# B8 J1 Q
如果有疑问可以自己拿矩阵乘法验证一下。继续,误差项之和可以表示为
2 o9 D- v: _, t7 C% W& [
( f ( x 1 ) − y 1 f ( x 2 ) − y 2 ⋮ f ( x N ) − y N ) = X W − Y .
# |0 B- G4 J0 \# u% J
⎛⎝⎜⎜⎜⎜f(x1)−y1f(x2)−y2⋮f(xN)−yN⎞⎠⎟⎟⎟⎟
9 K# e3 t5 N; `5 k
(f(x1)−y1f(x2)−y2⋮f(xN)−yN)
5 g- K$ ?9 g l9 Y
=XW-Y.
5 s: R9 G" D) _, [4 m* H
⎝
9 @- z- j/ r: P* ^0 ]7 M* K
⎛
* `, X7 H7 c7 r. t( u1 a
9 X/ {9 F7 R7 f7 l
g7 A! V: I5 H, }9 E
f(x
+ d' u |# ?. l
1
3 s4 c. ]# j2 I) p2 c4 g2 N
) l& m' ?% J: `. F* m6 x5 \
)−y
: O6 T: m+ x* i
1
" G0 ~; N. |3 U$ E# A ^8 b2 b g
/ n" w* @+ o" v+ v* @
* p* Y* j% W5 }* q: k
f(x
5 P7 X, W3 L) J# E
2
4 k$ c5 R# N! x, E
' r% x& e" ~. u! k& d& C+ H9 W
)−y
' j, ~. W& e! d6 B P
2
. K; w7 f$ h9 l
9 p+ n8 y$ _! r: J1 `2 M- F; w
1 E# Z& p9 e7 V( e) O4 n
⋮
' M* }( B0 k: ~& c+ c9 @
f(x
2 d7 W6 P2 ^2 |" I2 ?1 T! p' M7 G3 ?+ L- S
N
8 s; ]2 T* K9 V$ @$ A
# N5 k( a( F/ F# @
)−y
- l/ ^( @, ]3 l7 ~: p7 W; f$ y
N
. O4 I3 }) m* U9 R9 A: G0 T
1 n: d0 g% N2 z* j* e
. A9 |/ J( P0 l% T: W
, ]5 `0 z7 P! E# q3 w0 I
# r; p/ M" [' j' C
⎠
/ _2 }3 f* e, W2 e( D* ^
⎞
: ]5 ]$ Y2 S+ O O5 f: F
# [0 e' |, |2 r
=XW−Y.
) \; D! f' H9 ?- I; `5 N
7 [ }+ |5 {3 t: @+ b2 B
因此,损失函数
0 U/ W5 m$ s1 S. Z( C
L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) . L=(XW-Y)^T(XW-Y).
1 l9 f% q% T) K6 K$ s$ G0 h, L1 l
L=(XW−Y)
+ ]' \3 Z, G% P) q8 ~; L
T
, _7 c$ k0 ~) n0 ~% E
(XW−Y).
2 D5 F z) M0 ~5 F& \% T
8 p' E5 _$ c/ {# W+ I* j0 s
(为了求得向量x = ( x 1 , x 2 , . . . , x N ) T \pmb x=(x_1,x_2,...,x_N)^T
$ d |5 R; C# K; u) k0 Y5 G6 W' O
x
0 p6 E% S5 D7 M
x=(x
) \6 `2 k& m$ C3 t0 y% I
1
7 \0 e2 A M/ q+ [8 G% [% {" v2 E8 v
U: e2 f6 i/ V# M. I
,x
J1 U( H; f- A- H1 i8 ]
2
, I2 F% `* L! _2 k; L
3 D+ c7 w; k" g+ Y* Z2 H
,...,x
! _( `! {7 |! e. |: |
N
6 @! b9 P4 H8 X& e' w8 t# _
; R1 U' |& F6 k' f8 y* A7 m
)
, p. E0 Q/ q% ~) F) L7 g' j
T
c* [9 J2 k# J3 M
各分量的平方和,可以对x \pmb x
% K! G$ Z( [6 l- }8 r1 V- ]3 T
x
6 O$ O6 z7 g g0 \, z) O0 |
x作内积,即x T x . \pmb x^T \pmb x.
( {$ n5 n( |2 ^* s$ G' m+ A
x
% G9 ^' D. I3 `& w; N8 |
x
1 p% a5 v8 g" H. B8 T+ T; Z% O
T
6 f- `. I. ~% ^. o+ @# V2 z l' t
8 Z" \' C* r4 G- g
x
! j2 t' L- `! C) o+ K3 R
x.)
, @# [+ `% y% [5 p9 r
为了求得使L LL最小的W WW(这个W WW是一个列向量),我们需要对L LL求偏导数,并令其为0 : 0:0:
: D( G y/ z, j3 R1 ?
∂ L ∂ W = ∂ ∂ W [ ( X W − Y ) T ( X W − Y ) ] = ∂ ∂ W [ ( W T X T − Y T ) ( X W − Y ) ] = ∂ ∂ W ( W T X T X W − W T X T Y − Y T X W + Y T Y ) = ∂ ∂ W ( W T X T X W − 2 Y T X W + Y T Y ) ( 容易验证 , W T X T Y = Y T X W , 因而可以将其合并 ) = 2 X T X W − 2 X T Y
- d1 h/ d* Q9 C7 ^% e8 B3 V4 E. e
∂L∂W=∂∂W[(XW−Y)T(XW−Y)]=∂∂W[(WTXT−YT)(XW−Y)]=∂∂W(WTXTXW−WTXTY−YTXW+YTY)=∂∂W(WTXTXW−2YTXW+YTY)(容易验证,WTXTY=YTXW,因而可以将其合并)=2XTXW−2XTY
! D# n* ^; J4 H: \
∂L∂W=∂∂W[(XW−Y)T(XW−Y)]=∂∂W[(WTXT−YT)(XW−Y)]=∂∂W(WTXTXW−WTXTY−YTXW+YTY)=∂∂W(WTXTXW−2YTXW+YTY)(容易验证,WTXTY=YTXW,因而可以将其合并)=2XTXW−2XTY
3 {: i, @" u4 P% H
∂W
/ c9 ?( B5 f. M4 @2 k+ a, [
∂L
4 j4 ^, S( ?* h$ y
# `; T2 ?8 } y# h/ W
/ c+ K; x8 D( r. q" R0 j# |) s0 @
! }. Z3 _# J2 p D" t' Q
# o- ~. Y$ ~& M& U) u9 q- G. U
=
2 Q" [: J X" v# ^2 q e
∂W
2 k0 n' g/ j% k5 }
∂
; y1 P/ x& e1 M
0 [9 a$ |$ _& U6 k0 R
[(XW−Y)
) g z, f; G# o9 O8 \, Q
T
8 N7 F- A. b5 B4 z7 U
(XW−Y)]
. J$ R4 a9 f: }- s h& \
=
! \6 U+ N. o' n, ?# Y4 L- B6 Y
∂W
* x: J" z+ i! [' l+ m3 e
∂
' X$ d! U! g/ g' b9 ]+ e/ x
3 ~# E2 }$ d* X& J2 f7 u
[(W
1 b4 h( {2 }1 b
T
9 ~9 O" f( \. d/ X* Q3 B8 \ y
X
- f: Q. b) @# x
T
) P/ M, l/ p1 q$ y+ G$ |# ^
−Y
& E- |8 ]6 V7 t, u. @$ J, L
T
' }5 I: E* ]$ t' f; B4 `4 q( n
)(XW−Y)]
! H* V$ ]: [5 Q
=
0 B& B9 d; \. d! D/ X4 X/ D/ ^
∂W
/ d% G4 N3 y8 `) b
∂
! z2 L5 o% m6 M! T' K& B
* y* U) r" S# R. {5 s7 R% o
(W
& @. Y& G/ p9 s# `( F9 `- s
T
9 P' ^* V7 T* J( P V: O, e
X
0 r2 g, u8 X# d: U; l6 [6 C* v% \' S
T
; O3 a& Q8 d$ T* i6 |% c
XW−W
4 U4 J% v5 |- i, i/ b8 F
T
& Y- v# J B% k
X
% Z, b, j1 g2 x M, T/ `9 l/ x+ a
T
: }2 `& Q0 J0 i1 e5 w! I% o. g
Y−Y
4 t9 n( b j/ N- j. Y; T0 Y |% ^
T
/ o8 D @3 M. D. j8 W+ T6 M4 G* u5 ^
XW+Y
2 P: A* y- o7 L+ {7 P/ s7 Y7 |- Z
T
- V r+ X6 }- S5 `
Y)
' |0 [8 b8 [9 `8 A
=
7 e5 T: ~$ Y8 h" w
∂W
6 V2 }9 z3 { O7 W
∂
; q: n0 j% Q+ X, X& s# d+ Q J. F
2 n8 j' U; X& N# v% m* A
(W
7 b* h/ o) a" L6 S- h
T
$ A {) M+ P( c" p
X
7 }0 C2 A8 t9 `' ?4 I
T
2 q$ g+ z h; n1 P0 W
XW−2Y
7 \6 l& F6 S% @( q# K4 i
T
4 `' P. L. a+ v# U/ z9 k: F& U/ l
XW+Y
[( A5 N1 d: K' u
T
; X' n3 o1 m1 u/ g
Y)(容易验证,W
! B4 \9 x. |* S; G& {
T
- i& ]7 V g) s0 m- S! F8 q+ C
X
- X3 l9 x; ]0 A$ a3 U* m; v' Y" u% A
T
+ y- I; B3 h# |6 M9 V5 a, J; }0 }
Y=Y
J- d+ A9 S& r' j
T
1 y8 {7 w# a$ M9 N) k+ R/ A
XW,因而可以将其合并)
6 L* J% Y5 P4 ?3 L* b7 e$ K
=2X
; k$ [- G* [' X; n# S% W
T
6 [7 u: a7 j. ^7 f: a/ R
XW−2X
* a g- I+ h, v
T
% p8 |- e$ ~# z4 k" ]
Y
! S. e8 z9 C0 L! h l9 ?
& |" Q8 o7 P/ W1 k$ ^: V2 Y; M
: V, R" M7 j0 I; z, a% q2 o2 @
1 C$ ~: H9 x K8 o/ g4 m0 T
说明:
) K7 P8 o+ s; v; n3 p2 p
(1)从第3行到第4行,由于W T X T Y W^TX^TYW
1 X! P2 A0 f. q! l8 v
T
- b, ^. Z v3 \1 |6 L Y
X
, B# L! l$ ]' z4 G4 u' W2 n1 C: S
T
- v7 _' e4 Y' c3 M9 N+ [ E z
Y和Y T X W Y^TXWY
4 Q! v3 c: N) Z5 C- D) {9 m+ x5 d
T
) W$ w5 G X7 e8 T. g+ M
XW都是数(或者说1 × 1 1\times11×1矩阵),二者互为转置,因此值相同,可以合并成一项。
& q$ Z6 d# |/ v3 i
(2)从第4行到第5行的矩阵求导,第一项∂ ∂ W ( W T ( X T X ) W ) \frac{\partial}{\partial W}(W^T(X^TX)W)
& @8 f0 p9 e! g4 X
∂W
. P1 N9 o8 ^0 g9 Z3 L6 w% y
∂
# X! `1 P8 d- ]3 H% C) ^
0 g7 Y% ?3 b7 U" c9 q' ^
(W
6 H7 k& n! v+ A5 ?" r
T
0 X3 q. n% E0 P) |6 Q
(X
- T7 Q8 t9 U) e- z6 y9 D
T
, ]2 J4 I+ M* u# O2 Q% s: [* p
X)W)是一个关于W WW的二次型,其导数就是2 X T X W . 2X^TXW.2X
7 c; n& N0 t; |8 U! \- Y1 _
T
6 H K V4 n& U0 g) R7 {
XW.
9 Y) B0 \9 j. ?; w& |9 r1 U. q
(3)对于一次项− 2 Y T X W -2Y^TXW−2Y
* P3 y( ^' `- Z/ l9 ^
T
# L: y7 L( D/ T+ R% i
XW的求导,如果按照实数域的求导应该得到− 2 Y T X . -2Y^TX.−2Y
+ j. I) m, C* A/ U* t8 h7 e
T
/ r% ?0 L. \! l: G" U7 o
X.但检查一下发现矩阵的型对不上,需要做一下转置,变为− 2 X T Y . -2X^TY.−2X
$ d4 ~0 S. F* Y) ]2 {0 y* o
T
% q# T1 H" Z3 z' l9 W% X
Y.
1 `" X* ?5 M5 R& b6 @ k" Q
/ y: t9 \+ K( N3 R; M. {" n
矩阵求导线性代数课上也没有系统教过,只对这里出现的做一下说明。(多了我也不会 )
- Q) d" M+ M( h8 z" [: m. |* K9 m
令偏导数为0,得到
& B% O" j; Z C5 l
X T X W = Y T X , X^TXW=Y^TX,
# x2 Y: @1 |; l
X
3 Y& y0 B* ^7 A* W$ V
T
+ U+ |' ^4 X/ a! [- a: U9 `
XW=Y
: F. i! `% b5 I9 E( t9 k; T1 h
T
% P8 H" C5 O/ P1 R3 O$ o
X,
- [& J# J! w$ y
! `7 w( H; V5 ?6 @8 @
左乘( X T X ) − 1 (X^TX)^{-1}(X
( A+ N* u% D5 Z, p" n
T
( C8 q+ k. @9 F- J" C. |: l5 D
X)
5 _0 u; ^0 D- [) i6 R# H5 z
−1
! ~" F" [4 r& t% X9 R
(X T X X^TXX
% K& w6 h2 {3 p0 o8 f
T
1 L& E p- L& n
X的可逆性见下方的补充说明),得到
0 o# q* z% V7 R$ g5 g1 B
W = ( X T X ) − 1 X T Y . W=(X^TX)^{-1}X^TY.
2 Z7 M! t0 g8 Z5 U$ i, x# C
W=(X
1 ^3 V) `" |" ?7 c
T
2 y/ V! v, t8 ~2 V" {6 v7 x
X)
6 q/ j" r1 L+ |" y; ]
−1
6 B$ n/ o1 d7 N; d3 S* H
X
9 T. F1 ~4 Z/ s! J3 ?6 o
T
8 U( k- V. X, F# k8 ~' |5 X7 {
Y.
4 v i. w6 N! C5 N8 J1 Y) `' Z
; l0 J% d% G! {2 y8 q$ {5 Z
这就是我们想求的W WW的解析解,我们只需要调用函数算出这个值即可。
1 K7 S4 P. P! D/ g2 M1 S6 |0 q3 {: a
" {, ~. U" q$ J( z
'''
* G2 `. N: L+ h5 r9 ]- {
最小二乘求出解析解, m 为多项式次数
+ h# m8 x2 L) U7 Y
最小二乘误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y)
! N3 [3 F$ L: x/ ^% \
- dataset 数据集
+ S, k& G6 I( W. _$ Z
- m 多项式次数, 默认为 5
( m& [2 q% i. b
'''
7 q8 g7 A. B: ^6 F! q
def fit(dataset, m = 5):
/ q) C- [5 [/ v/ |. ?1 q% g$ L
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
0 C) ?1 r3 ]0 |& k9 A
Y = dataset[:, 1]
) h0 V, k0 o& j/ y& e
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X)), X.T), Y)
; L4 _9 l! M8 Q( r% ~/ w# J5 f5 F
1
0 Z6 |+ a4 U. O* l q8 R
2
) [9 D9 s/ _8 \: t8 y1 N& b K. R
3
' g; y% d1 T9 }8 b8 n
4
/ i$ O; i8 c4 ^4 H2 B
5
* J. e# V& Q9 Y! a" Y
6
4 _; x+ H9 @- V; J
7
5 O) c* t5 t3 t4 _. A) B
8
& v0 \4 k; Y3 _$ @8 i
9
7 A$ l& X, E: w
10
4 w6 K& X# K2 Y0 h$ |$ w
稍微解释一下代码:第一行即生成上面约定的X XX矩阵,dataset[:,0]即数据集第0列( x 1 , x 2 , . . . , x N ) T (x_1,x_2,...,x_N)^T(x
/ h8 q( D1 p* s1 r
1
" Q6 D! t; I" o7 a& \
+ g, D( J. _+ G+ o" `
,x
( x& {% C9 y& v. Z# L2 t7 _% g
2
6 o Z7 y, g, w) k! h) d; \2 A8 ?
0 S1 n9 N& z9 C# E$ }* J
,...,x
7 b2 Z' e) |- d
N
% _' Y( t) j7 D+ ? ?. M; N
* z- h4 S$ x8 t
)
- [/ M8 z# w4 Q6 e
T
7 M3 R* q" _- O4 G
;第二行即Y YY矩阵;第三行返回上面的解析解。(如果不熟悉python语法或者numpy库还是挺不友好的)
/ w' h2 f3 V" M7 W$ G$ y, {! m
, s$ v4 e4 }3 K! U! n' F5 N
简单地验证一下我们已经完成的函数的结果:为此,我们先写一个draw函数,用于把求得的W WW对应的多项式f ( x ) f(x)f(x)画到pyplot库的图像上去:
3 m+ U8 X2 n) G. O7 P
2 E. j- v5 [/ t( \0 F
'''
! Y; y0 K; ~* u8 t. f( u U
绘制给定系数W的, 在数据集上的多项式函数图像
3 T; w- T6 P. p$ R) R1 T6 y: [
- dataset 数据集
0 W ?0 \1 q+ a4 _ U, Q2 M
- w 通过上面四种方法求得的系数
; M a, Z/ K4 X
- color 绘制颜色, 默认为 red
/ N$ l# J( s1 } K E m
- label 图像的标签
# B+ E. z9 x r
'''
: [+ V( s$ l$ `: r- C6 M( V3 h
def draw(dataset, w, color = 'red', label = ''):
5 Q" k2 t* I7 j6 [- I2 j! D
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
' ?/ Y/ q& ^3 |; s% F
Y = np.dot(X, w)
. x6 s$ j8 |; k+ M( A" j4 o
* \, T4 b# a4 l* v! ]* A
plt.plot(dataset[:, 0], Y, c = color, label = label)
" S0 [/ U, J( c$ A
1
7 R2 L' Q8 V4 b3 B
2
p- S* c/ f/ |" ^: w0 U1 G
3
# O% P' `+ p3 ^7 C" s
4
# { S# e {, r1 w: l7 h
5
6 L- ?* {! r# c
6
2 ?; z1 ?5 M$ Q* j, }& S+ m
7
2 S' `$ a$ W* ?, @! J/ i7 I# z, O: D
8
8 V1 c) p5 A7 V$ q3 K2 i2 G
9
& E& E* z; S5 O v
10
0 N, J3 M* f* p- b9 o' k
11
# }6 H3 r9 e! q& K
12
6 ]/ F$ Z- f" S8 i, t/ \( C6 h
然后是主函数:
0 q& E/ n1 Z5 E, a- ]1 O
1 T. X1 _- T* T2 v- E5 |. B
if __name__ == '__main__':
, G) j8 H7 _0 R7 O+ B
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
! j- t/ B$ \: X6 D, x
# 绘制数据集散点图
7 C. W9 I. s6 O) {( T8 z% e0 w/ O
for [x, y] in dataset:
: ^9 A9 I& E3 j& y) j4 h1 A
plt.scatter(x, y, color = 'red')
2 \' U! |8 t& @
# 最小二乘
: Q7 D+ Y4 q) v c: q) @
coef1 = fit(dataset)
$ n G! F" a4 |: u2 Z, M! M
draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')
. a4 t: h; ~ R8 N" T# R( n
, J E* K- I- r7 M
# 绘制图像
- h. k$ C* a" n: q* Z4 @# p4 E
plt.legend()
) O1 u% R, f! ?# P2 |
plt.show()
1 }2 B9 A# |8 t" ]( _9 p- m$ f- g5 l* B
1
7 `0 ^. S7 t! \
2
2 R0 T( n: i0 d: y" E8 {# J5 v3 s
3
, u4 d! V5 A* J, m6 ]7 r8 M
4
0 W" x5 t4 ?; n- X& Q c" K
5
0 Q3 r( v* k; x3 p0 J
6
. P/ \% W# @* T* S! g# W
7
( j, |# M3 q/ @7 o* w0 D
8
" [* a) _5 M2 D
9
7 p$ a/ V6 v7 o' P( A- m
10
. I0 t6 n: I; e2 V
11
& k* p2 h7 Y9 \1 b; d& p
12
6 a M8 K6 e8 A- O0 ]: g; E
7 S9 d! v: k9 P' h0 _) i
可以看到5次多项式拟合的效果还是比较不错的(数据集每次随机生成,所以跟第一幅图不一样)。
, ~/ s5 `! L$ Q. i; R
( I* B: y' M! \: [" o
截至这部分全部的代码,后面同名函数不再给出说明:
+ E# C) k# b! A [- V0 N3 N L2 Q$ R0 ~
8 H% B9 H9 S: ]0 E. E
import numpy as np
8 @0 U- [3 B/ c& n/ U
import matplotlib.pyplot as plt
* Z& Q. ~# |: G/ h
# ?4 o: ^. Q! Q: C+ e1 g
'''
7 i* r7 L6 ]5 `1 l6 G- ?% w4 j7 p
返回数据集,形如[[x_1, y_1], [x_2, y_2], ..., [x_N, y_N]]
1 [) _8 Y" n& o- Z5 h0 L! z
保证 bound[0] <= x_i < bound[1].
4 l5 w9 B" \, p
- N 数据集大小, 默认为 100
$ D% ?5 c! i* i+ v* f8 J
- bound 产生数据横坐标的上下界, 应满足 bound[0] < bound[1]
! H- a$ I8 Z* x
'''
$ I9 }" z) ?$ T c% ?
def get_dataset(N = 100, bound = (0, 10)):
* i$ a. F9 E' }8 q
l, r = bound
9 b4 @8 d+ { w( W) _& [0 l
x = sorted(np.random.rand(N) * (r - l) + l)
9 t$ ]4 e' D q# }
y = np.sin(x) + np.random.randn(N) / 5
* \) U) I( s1 E
return np.array([x,y]).T
, _" y$ p2 V& p8 m
z/ m, y" x: c* p
'''
2 R1 @6 Q4 M+ @9 Y
最小二乘求出解析解, m 为多项式次数
% D) ` I7 ^8 J6 u
最小二乘误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y)
7 u3 @" l0 K) q+ F- U
- dataset 数据集
7 ~# R, c, O: `# g+ j0 m
- m 多项式次数, 默认为 5
5 T1 B. u! i+ @! y# s
'''
$ E* i! ^( s* X2 ?" j& K+ E
def fit(dataset, m = 5):
- D0 Y; d7 {8 D8 R0 ^3 P5 J4 m
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
+ }3 O4 |( T9 |1 ] |! b( n
Y = dataset[:, 1]
( a6 \9 ^2 t0 v4 n n- u
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X)), X.T), Y)
( i n% W, `- r4 `
'''
8 \5 W+ [4 i7 D: P4 o9 Q$ J
绘制给定系数W的, 在数据集上的多项式函数图像
( B2 H: Y8 C/ m
- dataset 数据集
' H) S7 e3 g- j. a2 W
- w 通过上面四种方法求得的系数
" D L) D# V& M
- color 绘制颜色, 默认为 red
5 M) p& v$ V1 U4 ~: j
- label 图像的标签
+ r7 U* l+ T8 o( ^% j
'''
( S. e# K# h9 H: h. f; F
def draw(dataset, w, color = 'red', label = ''):
$ u: k* _ S% ?! l% Z
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
* ^( P' j8 G' s
Y = np.dot(X, w)
P& \0 B! f2 C' B/ _- e8 r
) T1 C% q+ b; Y2 x/ I& ?) b
plt.plot(dataset[:, 0], Y, c = color, label = label)
2 V- h* r( D2 h+ ~9 Q# [/ _
! N( h/ K ?, E5 _' Q
if __name__ == '__main__':
. r3 g- @6 l% Z# x7 R/ m4 i D, A
* X' ~: n5 U* I( M, F
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
$ G' M$ D g2 `2 {, v# m
# 绘制数据集散点图
; X9 Y2 g1 i7 `9 Q+ @, P6 F$ C
for [x, y] in dataset:
6 c5 X1 X2 M/ q8 ^& Y
plt.scatter(x, y, color = 'red')
q$ i8 Z$ \' p" J1 O' `
b9 x& J3 x3 h5 k
coef1 = fit(dataset)
# N$ w" P5 A( n; p/ k
draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')
/ k! _8 I- a7 w n) A
- x+ w/ z8 V, G2 }2 C
plt.legend()
0 z7 H: S9 C0 T/ K( X" i6 Q* L
plt.show()
" U) f) k5 ~: x2 a. L- R7 p/ e K9 W
! O0 D( J- `, A2 q* E8 D' q
1
, o/ M! T; @' f' ]
2
8 ]: A; M" A( A
3
2 A6 @# R Q4 u; l# s
4
# M, T3 r6 S5 v: y h9 k4 ~
5
$ b0 R" t o( N( `5 g
6
8 C2 B- W5 I2 g5 M' p6 i) N+ D
7
; u* F7 Q/ `4 n; ^1 U' K0 Z- l
8
! P' m7 C+ }( N5 M& ~& }
9
; `7 k# n/ b. R' ]
10
! c/ Z7 y0 K. O8 l6 H4 g
11
! c8 R z3 \2 L2 |) J
12
7 y1 W2 }% q/ l* p" n( L
13
/ {1 a( X" [0 a5 C
14
+ O8 c) v4 p% C" B
15
' s: a- z0 C" L0 g
16
- Z6 T/ e* Y h
17
0 i( v: T3 n0 W) G* L1 R; a7 ]
18
$ _5 L' I" H! u3 B, ]4 V; N/ ]% Y
19
- L: v+ l! Y& @: U- c
20
- h4 l' h1 M) f" w
21
' M/ }. l/ @) \* I
22
, E# E& q2 \! Q2 f0 t+ V3 l
23
% r+ @& f- u( ~: H$ Y0 ^/ U
24
( L- W( g" Q3 j2 j
25
% K3 L: V; l- x X! a/ N5 G
26
% J9 I) P$ b2 D, s" X& o" I
27
* X1 Q2 u& @6 A: M- D& y
28
3 [3 m. W# \% K8 `; n1 _$ |
29
7 G( o2 U' C* s
30
; j" m/ T3 I& i6 Q( P* q$ b- E
31
* y! ~# D; {1 L) k2 O
32
1 E' i* n* x$ N, I( Z @- d
33
" p: w) k1 O4 Z3 w
34
' Z2 h) m* s; b$ y
35
' r& b& o% ?2 A; ~7 v6 s
36
& g5 I/ @- Q/ O
37
' I `$ h# ]% Z" R0 ^
38
$ [: B6 f& U' f* [1 a
39
" f7 N, r: }5 m, f3 \) n- ?$ t
40
+ c0 p2 a {0 B: t. I+ s
41
7 F& I- _6 e/ B: }' E b# Q
42
+ P9 [; o1 L( U- m+ J
43
4 ?' q1 A) Z; t8 h
44
0 |0 q; c& Y/ e/ s: M) C$ A2 v
45
0 `) Z' m' W0 v _% y. \+ Z
46
% ~$ B$ C! T" T' m
47
4 v- M' f- g B" e. V5 u; |+ N
48
H' }) V1 N) r9 e) H; `0 J
49
8 J( X# ]8 t2 @. ]5 q2 t
50
+ E$ s' ?0 Z5 I q
补充说明
1 ?9 Y% d5 i* M) k+ Y# a
上面有一块不太严谨:对于一个矩阵X XX而言,X T X X^TXX
) H4 v$ ~$ x" M' y5 ]. |; {
T
# p; A$ ?/ R% k# L) U3 B( A
X不一定可逆。然而在本实验中,可以证明其为可逆矩阵。由于这门课不是线性代数课,我们就不费太多篇幅介绍这个了,仅作简单提示:
$ F, p D! `5 ^& x
(1)X XX是一个N × ( m + 1 ) N\times(m+1)N×(m+1)的矩阵。其中数据数N NN远大于多项式次数m mm,有N > m + 1 ; N>m+1;N>m+1;
- ^4 B9 j+ R6 |; p3 h z7 i: k C6 c
(2)为了说明X T X X^TXX
7 m R* N0 [4 o
T
( U" ]. m& D1 H N( V
X可逆,需要说明( X T X ) ( m + 1 ) × ( m + 1 ) (X^TX)_{(m+1)\times(m+1)}(X
' D; r w8 M+ w! M5 y4 h/ h, t; `6 ~
T
V4 {: h9 t3 X9 l! ?. p
X)
* g) O5 \9 i; a* q L
(m+1)×(m+1)
) s7 {+ D: X1 q. S" M
0 W: B" {1 v$ D% A. x/ T' k
满秩,即R ( X T X ) = m + 1 ; R(X^TX)=m+1;R(X
9 f- |: |9 B3 ~# [% v
T
. t& w; K/ X$ v) ?; F+ |0 z& \% @
X)=m+1;
# Z* p5 S, M0 b
(3)在线性代数中,我们证明过R ( X ) = R ( X T ) = R ( X T X ) = R ( X X T ) ; R(X)=R(X^T)=R(X^TX)=R(XX^T);R(X)=R(X
% k7 O9 X" Y, ?9 z3 N8 T
T
$ R1 ~( A1 e5 ~9 K" V7 W5 z
)=R(X
5 _5 h% g# y* M b' ~! H4 [, k
T
9 D% a9 }; Y6 m G$ W% T
X)=R(XX
$ R0 Z$ v2 K: }
T
0 a$ A6 q9 P. V3 x; n
);
/ l2 Q. ]* z$ J# y4 k: K7 D/ w: U. |$ G
(4)X XX是一个范德蒙矩阵,由其性质可知其秩等于m i n { N , m + 1 } = m + 1. min\{N,m+1\}=m+1.min{N,m+1}=m+1.
% e( Z5 b$ S! Y& e4 w0 p+ W
8 J# ?/ {; U$ {0 P
添加正则项(岭回归)
% x! z' m8 i7 f" o+ b
最小二乘法容易造成过拟合。为了说明这种缺陷,我们用所生成数据集的前50个点进行训练(这样抽样不够均匀,这里只是为了说明过拟合),得出参数,再画出整个函数图像,查看拟合效果:
% i- E6 z0 ~9 i. a
# @2 [, E; ]- N! l% b, |
if __name__ == '__main__':
- f5 M8 d- ] G( C+ _5 Z! x
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
8 `% m* w0 k! A7 F
# 绘制数据集散点图
( x; z& ^1 K/ I& k' }8 b
for [x, y] in dataset:
4 p( M* K0 H7 b% P2 {, g
plt.scatter(x, y, color = 'red')
2 K5 g9 |: s9 c, c2 j, e# \; m
# 取前50个点进行训练
; G, y* W' h# g/ n
coef1 = fit(dataset[:50], m = 3)
3 v, F% r; K/ G+ K2 l+ b
# 再画出整个数据集上的图像
6 d# r! p0 f# y& k* W# W1 o1 u
draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')
$ P; G0 B) o, i# x2 A8 E% }
1
( ]* d( j: }; p# O" X3 }6 b
2
* b1 h6 ~. d/ l( T3 P |2 L! s) p
3
! \8 U7 D7 ]/ p- H' j( j+ H' [
4
& x. O& P6 C+ e+ N% R- F/ I3 F, O
5
r7 X( ?9 _" c4 Q& ?" p
6
- p5 i: ?' O7 x1 d
7
& T5 I9 B( k9 ~/ T s
8
$ b" ?$ z9 A# Z1 U2 S
9
" V+ ^+ Z" w$ ~) U( U0 Z2 k% E
8 c$ h" q+ G9 Y' B+ @. u
过拟合在m mm较大时尤为严重(上面图像为m = 3 m=3m=3时)。当多项式次数升高时,为了尽可能贴近所给数据集,计算出来的系数的数量级将会越来越大,在未见样本上的表现也就越差。如上图,可以看到拟合在前50个点(大约在横坐标[ − 3 , 0 ] [-3,0][−3,0]处)表现很好;而在测试集上表现就很差([ 0 , 3 ] [0,3][0,3]处)。为了防止过拟合,可以引入正则化项。此时损失函数L LL变为
* M. L, d; M. V6 j9 x
L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) + λ ∣ ∣ W ∣ ∣ 2 2 L=(XW-Y)^T(XW-Y)+\lambda||W||_2^2
4 }$ ]. T3 X* ?3 Q w
L=(XW−Y)
; c. O# R# \3 |' G
T
$ W% z1 o2 F a$ `
(XW−Y)+λ∣∣W∣∣
$ _) X V& s& h9 f/ \
2
` |8 [' y r) V# @ Z0 @ c7 x
2
2 b# r' a1 X! x
" b) `: q/ e- q8 v8 D8 c
5 u' H. B4 k1 m! J7 b5 U `+ ^& Z
) Z& q! F: c) t/ ^1 I3 D
其中∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ 2 2 ||\cdot||_2^2∣∣⋅∣∣
" d8 @7 p$ Q6 Z( X) p0 [% ~. U" f
2
% v* v7 w' p$ f0 z |/ K ~. x f6 }
2
! Y1 e. |! m2 M" D
$ v8 C7 z- i4 h _" b2 G
表示L 2 L_2L
4 f X/ Z5 P& R! Z7 i+ B# ] L- G2 i# ?
2
; n3 r; ]6 f" q# a1 ~- \
# B7 W. |2 Q+ w8 \
范数的平方,在这里即W T W ; λ W^TW;\lambdaW
; ?( e9 W9 @0 B: @7 a8 ?
T
" I# D+ F6 U/ z! |% t& r9 q$ G: O
W;λ为正则化系数。该式子也称岭回归(Ridge Regression)。它的思想是兼顾损失函数与所得参数W WW的模长(在L 2 L_2L
/ H+ S5 }8 B' @, r* j! c
2
( H i$ G1 `7 J- B
# U3 I+ |' n3 K4 a
范数时),防止W WW内的参数过大。
4 T4 `' i, D+ B9 d8 n( S% c
1 `5 x0 \( G% |. ^, O5 G& w
举个例子(数是随便编的):当正则化系数为1 11,若方案1在数据集上的平方误差为0.5 , 0.5,0.5,此时W = ( 100 , − 200 , 300 , 150 ) T W=(100,-200,300,150)^TW=(100,−200,300,150)
# ?1 t+ \; r+ P5 G! ?# e; W
T
) \) U( |8 X: b) B8 f4 X. m1 O
;方案2在数据集上的平方误差为10 , 10,10,此时W = ( 1 , − 3 , 2 , 1 ) W=(1,-3,2,1)W=(1,−3,2,1),那我们选择方案2的W . W.W.正则化系数λ \lambdaλ刻画了这种对于W WW模长的重视程度:λ \lambdaλ越大,说明W WW的模长升高带来的惩罚也就越大。当λ = 0 , \lambda=0,λ=0,岭回归即变为普通的最小二乘法。与岭回归相似的还有LASSO,就是将正则化项换为L 1 L_1L
# @* W2 z& p; Z7 h1 D3 S
1
- |1 }$ S/ {& ?$ ?$ Y9 x$ [$ X
6 \+ @+ q& v( S6 }! _
范数。
6 b; o0 `% |9 z$ f% X
: B+ s2 n8 x9 ^4 F1 C
重复上面的推导,我们可以得出解析解为
& d4 G. U5 {/ Y
W = ( X T X + λ E m + 1 ) − 1 X T Y . W=(X^TX+\lambda E_{m+1})^{-1}X^TY.
2 u% V9 t' X" M% A
W=(X
/ O6 g* B/ P! a$ R( G7 a
T
, o& ]# I& @4 v" c0 a9 }
X+λE
+ m& @" O4 \( R: H( W' ?. N
m+1
+ y* M9 d3 v& d+ p7 Y8 b
6 \, F7 @+ ?) G7 A* L" C' A
)
2 f J7 m# m! r$ O2 u' Y9 q. [
−1
# P$ u& c8 |8 Q! p; m. {$ s
X
5 D. F& ]" {' z M8 c
T
; k- ^; i! E$ s+ M9 [
Y.
( y& J+ S m$ P9 @
0 V5 j6 ~, i6 ]8 `
其中E m + 1 E_{m+1}E
, V$ b1 D$ @. `' G2 p& Q( p
m+1
3 y5 w3 |$ [- t% j& N! L
1 X* x* D! Q% R4 V
为m + 1 m+1m+1阶单位阵。容易得到( X T X + λ E m + 1 ) (X^TX+\lambda E_{m+1})(X
& ~# X" E) `% G! Q- ]4 [) T% K
T
Y7 N6 h. j5 h" g
X+λE
. A8 s9 _3 _. Q( ~' w
m+1
Z n4 |7 X6 {/ k; o
5 z. b2 k% f5 @ ?
)也是可逆的。
# m7 `8 b$ q: M9 }+ {4 s
2 t1 N$ T; {& t. X: q" i( s) J
该部分代码如下。
( Y- b7 l s6 l& H4 C+ ~0 k
& U! s4 w$ L7 C$ s1 p. u- D# y
'''
6 I+ P o4 p: f% ^9 C
岭回归求解析解, m 为多项式次数, l 为 lambda 即正则项系数
2 Z) j+ s( Y9 \0 ?3 u8 Q
岭回归误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y) + λ(W^T)*W
8 Q. p7 _: D: q. ~2 _0 D+ e
- dataset 数据集
9 R, s% O6 |5 b& M5 ~
- m 多项式次数, 默认为 5
4 U3 O7 I; k k6 b4 e! g
- l 正则化参数 lambda, 默认为 0.5
4 q' r7 O# {0 q
'''
4 t% D. [& ~; f" [ R
def ridge_regression(dataset, m = 5, l = 0.5):
: h0 M% i4 V% W1 }; L- d. }/ B6 c: P
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
" h* u# _/ {6 s, \# U4 ]) ]/ i
Y = dataset[:, 1]
% Q) T# X& G* F6 M* b
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X) + l * np.eye(m + 1)), X.T), Y)
( w" b6 `& u; U& |9 A
1
) f/ D0 X2 q: ^
2
! r& W# p, H7 N; |" b! a
3
8 P, o( u' B \% r# y- a# I* E+ B
4
% Z, c/ D+ ~) R/ s. i* a0 L$ \# X
5
0 ]/ z6 J' R6 h6 \7 }6 c& f
6
' }" M* Z; Y" W: k- {7 q' W* L) n
7
! U( L, M, N2 ^* Y1 m) p* _5 j
8
. k$ x7 p& W8 q7 j3 L# Z
9
% w+ P# d+ T, Y0 s
10
7 |# J& _) z; K: a* i
11
: d0 h5 ?# I' q
两种方法的对比如下:
8 H; \& m: ~& O3 \. a
- s) P+ d% J& V& x: M
对比可以看出,岭回归显著减轻了过拟合(此时为m = 3 , λ = 0.3 m=3,\lambda=0.3m=3,λ=0.3)。
, ]2 R; u' ?/ p9 F4 C
9 i8 ^" ]9 ?4 G
梯度下降法
' x0 d9 D% M r
梯度下降法并不是求解该问题的最好方法,很容易就无法收敛。先简单介绍梯度下降法的基本思想:若我们想求取复杂函数f ( x ) f(x)f(x)的最小值(最值点)(这个x xx可能是向量等),即
, m* P+ G9 M% ^( [: n
x m i n = arg min x f ( x ) x_{min}=\argmin_{x}f(x)
- o; m; u3 u8 R6 `
x
r! t; X0 b5 J. B1 F2 Q1 B0 \5 P
min
0 S0 a ]# v2 n- t5 N
* n5 d+ o2 A' f& f/ @1 j5 v# S
=
$ P2 \% G- s3 Z3 r0 }, j: H9 l
x
( J4 \1 g9 }6 r, ?" i2 e3 y
argmin
3 t- f4 J2 ^% E2 k" x, M' F8 Q
. C2 l6 S2 z8 C o, V; D$ g. V1 d. v
f(x)
) a9 C" E' d; I, b, w- p; O5 u8 ]
3 } W0 s5 G" Y1 Y z( F' ?" Y
梯度下降法重复如下操作:
1 l ]( l* K* w4 ]& P
(0)(随机)初始化x 0 ( t = 0 ) x_0(t=0)x
9 w, ^& T2 ^0 ?" e
0
+ G6 w U8 ^( s5 s
! M( q! t- y3 x5 J. E
(t=0);
4 v9 _% G/ a$ ?
(1)设f ( x ) f(x)f(x)在x t x_tx
* D1 F7 T: A0 w2 `0 S& C1 ^
t
# b6 r" i! }% C' K
) @5 M% a$ M* |4 s5 ]' R; Z+ @
处的梯度(当x xx为一维时,即导数)∇ f ( x t ) \nabla f(x_t)∇f(x
( o" a- p3 Y" z0 A: {, K, i1 }
t
% \& t v8 W: M& L2 Z( L$ K. ?
' u! C4 n% _8 {4 U
);
; o. x* `0 ~& E5 E! I8 y4 m
(2)x t + 1 = x t − η ∇ f ( x t ) x_{t+1}=x_t-\eta\nabla f(x_t)x
P+ ^4 H8 x* N$ h
t+1
" c- L5 C, z# x% E( |. o3 u0 r) Q8 i
! v" D2 O0 p+ E6 V0 L% B1 ?$ P
=x
/ g, U) m7 j8 ~( i$ V, ]
t
9 g5 _& ^7 }' p2 v" E
# P: Q$ g. y: v; P3 Z) s7 a
−η∇f(x
?/ e3 J' j0 q+ Z4 h8 i
t
4 C- C8 T0 O) b0 t9 l7 [* u
) `" A: j8 Q( |4 A/ T- f5 }. t7 }
)
: {; b2 }; L. R# N
(3)若x t + 1 x_{t+1}x
$ z" C6 u# Y8 a# D% N4 Z4 D" E7 h
t+1
1 c0 w( X# y6 t4 R* w% N7 I* \
. D- c% E' H, I; k5 X5 b2 ?
与x t x_tx
. [$ z) z# U; [$ y: R, @# X G
t
! U8 c6 F( U9 y9 d
8 ]5 W/ C7 G. U! @
相差不大(达到预先设定的范围)或迭代次数达到预设上限,停止算法;否则重复(1)(2).
( i, ]! c \( s% \! p8 f! G
3 v+ N4 r% c0 r* N w
其中η \etaη为学习率,它决定了梯度下降的步长。
9 n0 p4 n4 a! r
下面是一个用梯度下降法求取y = x 2 y=x^2y=x
+ i& v7 I6 V& |7 e! ^/ i& j
2
* K' p6 Q8 N7 q$ q/ z2 }9 X1 F
的最小值点的示例程序:
8 F, a& r( R. \9 U4 y: I- B
% P% {& X5 i7 N4 H1 ~" K A
import numpy as np
$ a. \: ^7 Q0 T/ y) O/ a& F
import matplotlib.pyplot as plt
! c- d6 T8 H( ]$ l
4 D5 R/ L% s7 X0 X) R% |
def f(x):
% X, T# Q% X: j* p# U l
return x ** 2
) z' g* G; F+ b; L
2 ~2 k2 B" n& R( n# q# o
def draw():
/ X+ @- L3 y: z8 z' r8 h" _3 B: B
x = np.linspace(-3, 3)
) C, P; k+ e2 N0 K# Y/ Y
y = f(x)
+ a) d" o/ I0 g+ e5 T
plt.plot(x, y, c = 'red')
. i/ K( s8 j& O }( g, {( V2 C
+ N* H6 B! i" q4 K& F* n
cnt = 0
+ [* F* x* _# Z9 E
# 初始化 x
& C$ v1 p" d2 b, k
x = np.random.rand(1) * 3
; Q7 d- I6 h/ q, ]/ }
learning_rate = 0.05
/ ~: p% L, O/ }7 n5 I: I
$ T, d1 x$ b2 h) J0 d5 F! ?
while True:
+ U# {& J: ] @: T% |( h# i6 h: O
grad = 2 * x
0 k: t# Z" k% [% k4 H
# -----------作图用,非算法部分-----------
K" o j/ T' G) [; D
plt.scatter(x, f(x), c = 'black')
7 _: @# ^/ U$ G- V) b
plt.text(x + 0.3, f(x) + 0.3, str(cnt))
+ Y4 j- |1 j# X7 R1 o/ F
# -------------------------------------
; u7 G1 m: `" _" }0 ~. H: ^$ I
new_x = x - grad * learning_rate
7 K6 \, |4 K4 ]3 Q8 b+ |6 m2 b
# 判断收敛
# l; `+ f# P- ]2 y
if abs(new_x - x) < 1e-3:
7 ?$ w& B4 {3 w9 j
break
& T7 [7 ^! ~- V, w8 e+ W
+ o' e5 r* Q; ^9 Y3 ^
x = new_x
: U" K/ A6 B& X- S, S+ S. H0 c
cnt += 1
4 v2 L6 W+ o+ A, d1 k# R
4 _( l, f- m! u+ G; h! ^
draw()
) T9 Z1 N" l# X- W; H' t
plt.show()
1 ]) D) @2 S1 G6 ~
. j+ n7 o+ Q5 }+ f' @! m1 v4 k
1
. K# V' `$ i- k: y% a& y
2
5 p/ _: ]0 K$ B- m6 h9 z
3
- z3 Y5 D; {1 `# j( e V
4
2 c4 \, |6 r" S" m: I7 ^
5
( c- Y* \! x: o7 k1 Y
6
, N' i3 E' ^# Z; L+ }
7
7 L" \- D* {+ ~% D# s& g
8
. Q/ w! J S& X* [
9
4 N* ?; R5 n, o; ]7 ? N5 ^
10
0 Z! A9 p4 N. }5 b5 o4 m! r, S
11
$ S9 {( z4 Q3 V; Y v& q( N
12
3 ^1 R5 `+ T3 V, J" h
13
! V, f q" `! _9 e! C! u$ w5 m* g
14
& j6 q4 [% R; o
15
) l$ x+ [# P( {" S3 _
16
# N; O7 o" J$ f; {
17
5 Y1 D" `$ h- B6 ]3 ?8 o0 n: d
18
' d" q- {! E0 Q9 c
19
1 _- H& R" L3 j6 {8 q
20
8 a* Z4 @2 M8 {+ n( o) Y/ w
21
: H/ G, y9 ?# }+ e& B1 o8 p$ w
22
8 c+ c4 H, m2 I# Q% o
23
% ?- X5 c9 ~9 P2 P: k' p4 g
24
9 _4 A2 q6 m! ~% M6 g1 h
25
: C5 B7 Y$ A7 Z8 F* S q
26
7 `1 L/ k+ h4 b- Y' @
27
7 R' {5 p0 J7 @/ w' s& J3 }7 O
28
5 ]' r: I% K: c+ p
29
7 b4 m" }7 J: ]- X5 A
30
6 r6 j' ~* n: V
31
% C' B7 s6 X) w/ ^
32
( J+ V/ D( ]' m$ y# g( ]
6 q% J. p- o" v- h4 ?4 S
上图标明了x xx随着迭代的演进,可以看到x xx不断沿着正半轴向零点靠近。需要注意的是,学习率不能过大(虽然在上面的程序中,学习率设置得有点小了),需要手动进行尝试调整,否则容易想象,x xx在正负半轴来回震荡,难以收敛。
6 b1 w+ z6 a1 H: z
# Z: `& e. D* s5 P0 ^& e
在最小二乘法中,我们需要优化的函数是损失函数
9 |+ M/ a$ O, I6 u! S/ O
L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) . L=(XW-Y)^T(XW-Y).
$ `" p. [' U& @- y1 T
L=(XW−Y)
9 ^% q/ e6 z# a0 |+ h
T
; S4 j; ~" Q' Z( g# x4 \# a
(XW−Y).
" W) p9 s2 F" O4 Y( T" V2 }
% T2 @/ T) ~) ^, Z$ A
下面我们用梯度下降法求解该问题。在上面的推导中,
4 e5 i" t: r3 m
∂ L ∂ W = 2 X T X W − 2 X T Y ,
! R, k3 r) s. x) u* ?. @8 r- _
∂L∂W=2XTXW−2XTY
% @! F+ J# l( i
∂L∂W=2XTXW−2XTY
3 E4 j t, W& `0 m9 {; N7 c9 h" T
,
8 g4 w, J9 l1 Q# s. ~( ?, H
∂W
+ N7 |) f2 w* _1 N; t8 {( K' J8 p
∂L
4 z0 J! u) {) K) O2 i6 V4 M+ f+ C
1 x' U, ?3 C- _, W9 l
=2X
]- |, N* u% u2 e0 T7 n
T
+ H' @' A4 y! ^
XW−2X
* O8 z3 b, s& o1 `) N P, k
T
0 F/ Q, A( j/ q4 O0 n
Y
2 I$ S$ y$ ?2 _8 [' z9 @2 e
8 ?; G. [* f/ \) N- z9 [
,
6 G5 N- u- U( a1 s
. W( t Y5 H. y$ w
于是我们每次在迭代中对W WW减去该梯度,直到参数W WW收敛。不过经过实验,平方误差会使得梯度过大,过程无法收敛,因此采用均方误差(MSE)替换之,就是给原来的式子除以N NN:
8 X6 \1 G+ D! \$ q4 z( Z, H4 U
* e0 Z( w" _3 ~& a
'''
( P9 t3 ?" Z" }& m6 @- p
梯度下降法(Gradient Descent, GD)求优化解, m 为多项式次数, max_iteration 为最大迭代次数, lr 为学习率
) _8 U* d6 N9 X
注: 此时拟合次数不宜太高(m <= 3), 且数据集的数据范围不能太大(这里设置为(-3, 3)), 否则很难收敛
: ?- [$ U) p. n! C
- dataset 数据集
; m* ] [9 T8 C1 X+ S' w+ [; f* a
- m 多项式次数, 默认为 3(太高会溢出, 无法收敛)
J' F n0 o' i# R( Y, M
- max_iteration 最大迭代次数, 默认为 1000
4 y& n! k9 _3 k+ P4 T3 A7 J* q: b
- lr 梯度下降的学习率, 默认为 0.01
! `/ r, G1 c: c- T# x& G2 o
'''
0 `% G: o* q2 z
def GD(dataset, m = 3, max_iteration = 1000, lr = 0.01):
! X/ T M( F. }/ ]4 b
# 初始化参数
3 i8 n5 j* U4 y' N
w = np.random.rand(m + 1)
4 T; m! x% t) [9 v' l' ~
. y! L3 D0 G" Y& Q4 s. H3 [# ]
N = len(dataset)
. }* k' b: v) W8 s5 w
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
9 x# t# n3 v: @5 f- R' {4 q
Y = dataset[:, 1]
- A+ g; D: a5 e8 Q6 s
. r8 Y* P& |: B2 f. i. q* c! s( Q" v
try:
! W3 H' l+ U: Q/ G$ Q
for i in range(max_iteration):
! p2 C/ X9 u5 [4 f
pred_Y = np.dot(X, w)
3 W6 N! r- }+ f" G; k' g& h" n% h
# 均方误差(省略系数2)
9 K1 C5 H# `0 j
grad = np.dot(X.T, pred_Y - Y) / N
& j0 I7 j/ s. t! i. }
w -= lr * grad
* u9 b5 B; B) R; f& W4 U8 ~/ C
'''
- d" e; }0 h& R3 H6 k# f) L$ T
为了能捕获这个溢出的 Warning,需要import warnings并在主程序中加上:
8 _1 N2 u s% \* x+ F! w* e
warnings.simplefilter('error')
0 t \: z1 E) P9 h! b
'''
9 N# _- X+ y7 B" O z; d, M$ U! K
except RuntimeWarning:
- F* D6 t$ [6 x7 U& T# q9 r" F, G
print('梯度下降法溢出, 无法收敛')
* J8 v! d" d1 u- q0 E
6 e/ l8 B2 c( c" q4 j
return w
# I- B# X6 n+ g4 _7 R7 D8 Z
, m0 E$ w1 y! T! b% h7 P
1
8 `7 l5 N# J t( J7 W
2
5 m9 a0 Q8 @- f% [- |6 _& F* m
3
5 v% X( n/ ?2 I0 t% A; \' ^( z
4
* b$ k0 X5 P g2 z
5
( w2 x0 _8 |4 s; ^
6
( a3 m6 L3 h6 l8 Y) E" G
7
- }( u1 I" X7 ~
8
0 O: |/ E# ]6 T
9
3 o$ _ a: `! j* O% u
10
3 J9 T4 K$ ]) n8 ]2 _# M3 B0 k
11
5 k/ g7 }$ V, K1 w% W
12
2 @) J8 G6 A; G6 Q
13
4 S" A1 g) `( U& z; Y# e* I
14
$ m3 H' y6 e, U
15
# d5 ` f9 V2 g Y Q$ q3 J0 w! g
16
. U( `) |! }4 T+ w: P: K
17
4 S7 D) s- H6 v Y9 r' i4 v1 ^, u( E
18
9 I( H+ H4 R9 u! G( E
19
. h6 p: `) g4 M1 P; K
20
" q5 i& ~1 z( j+ I( A2 f: F) N
21
) C( J) o) q+ s O0 C' [
22
B+ f1 [" P0 [8 L% v
23
\/ F$ P/ K9 p @
24
( x4 _$ h" [2 C5 \! [
25
6 p8 B: ~* F" X$ k. `7 X8 j
26
# b l3 q5 H- X- ] }
27
2 l7 }5 J. K7 j$ R8 P5 s8 Y+ C
28
1 u! Q, H( V3 T B
29
+ J: o6 X; x/ {# q
30
& [" w" a- |8 j! m# T% z7 e, I
这时如果m mm设置得稍微大一点(比如4),在迭代过程中梯度就会溢出,使参数无法收敛。在收敛时,拟合效果还算可以:
0 x) Q* z+ I9 _2 W2 m! A8 ]
4 O0 W8 i4 G: F- S- b
! R: X) `( j: a5 x" }
共轭梯度法
7 v& i! { ]! f+ h! F
共轭梯度法(Conjugate Gradients)可以用来求解形如A x = b A\pmb x=\pmb bA
3 J i; o) G- E1 z P8 `
x
/ U3 L2 n8 ^: ?( G$ |2 P5 f
x=
; H$ |% c0 }6 Z
b
1 W& u4 N* o1 I: s
b的方程组,或最小化二次型f ( x ) = 1 2 x T A x − b T x + c . f(\pmb x)=\frac12\pmb x^TA\pmb x-\pmb b^T \pmb x+c.f(
+ C* Z% n' q3 B8 r D
x
- y; d$ i8 _4 y% h& H# k" x
x)=
: k0 B! \4 w: K9 c+ G1 A2 V" o5 s
2
3 d! n- l2 Z' U ~7 l- W' \- ]6 A
1
7 I& o: I7 |" c
7 \! x* O5 s0 ]8 r& b k
) n# B. w d2 `6 e8 Y2 B9 c
x
; q3 j9 o3 q# U8 P9 Q7 L6 A f
x
& v( K# ~: u5 {, t. Q" \9 R
T
2 M1 s( P% W5 x8 u
A
5 y4 A1 ]3 N8 T1 ^, j( N; S! A
x
" @5 l; j4 k; n9 O5 B: \+ o
x−
9 Q8 f: p f- I9 R; T% }
b
& r- W4 q$ q& K7 f0 A$ T
b
' _" z- Q3 t U8 ]2 q; r
T
$ T o* Y" C! p" r# q
$ V4 s1 L; ~* {' a* E" U, @6 [6 F
x
" V8 p C6 _5 E# j% O' E" H
x+c.(可以证明对于正定的A AA,二者等价)其中A AA为正定矩阵。在本问题中,我们要求解
6 _; U- ~3 R, ^; h9 v" Q3 A( b' o+ t
X T X W = Y T X , X^TXW=Y^TX,
" D% \/ F& G; ]0 {/ G; c2 R, b: S
X
# i+ i Q$ n5 h9 Q% |( k g5 L0 [
T
X+ c- l; s) K! |4 J
XW=Y
- f8 _6 I w$ O5 n4 }' x
T
8 O9 K6 t/ [- ? z% t( N+ ~5 _
X,
2 o2 R7 j+ Y1 v: M6 O
/ U& G- R2 L/ q0 t/ v9 u
就有A ( m + 1 ) × ( m + 1 ) = X T X , b = Y T . A_{(m+1)\times(m+1)}=X^TX,\pmb b=Y^T.A
$ O, j( b+ d) s! `7 c
(m+1)×(m+1)
9 c! X! z5 q! ^ j6 L" K1 H' T* B
1 u" y5 t1 I8 z0 |8 S; p3 J2 e# Q
=X
8 ]% ^6 ^. N* C( e" \) Z0 b% J
T
W' [) ~( l' B/ A. ]/ v
X,
0 f* P4 J7 ~/ j3 W F+ d' N
b
0 N1 n- I9 d. e$ [
b=Y
. b) y+ I; ]: P! H
T
9 q3 ^7 Q$ f( j
.若我们想加一个正则项,就变成求解
: U3 O: S! T- F# Q
( X T X + λ E ) W = Y T X . (X^TX+\lambda E)W=Y^TX.
& z6 O) Y8 Y8 Z- u2 W
(X
* T1 z2 y, e; `" }! K
T
% i. z1 @0 T0 G& v1 q5 ]
X+λE)W=Y
/ t$ R8 ^+ X. N* O/ G W6 W
T
" D7 T4 Y$ X- V/ W D7 q
X.
3 ^7 G. L! ?8 q* D$ ? d
! ?4 r8 S& F4 m% P
首先说明一点:X T X X^TXX
+ t& R* o" D' w8 ^; ~7 z
T
" x/ |/ o: |1 d
X不一定是正定的但一定是半正定的(证明见此)。但是在实验中我们基本不用担心这个问题,因为X T X X^TXX
! N) g& Y2 _* R/ I* M& g
T
3 F0 u1 @4 O4 R( O2 [: z
X有极大可能是正定的,我们只在代码中加一个断言(assert),不多关注这个条件。
/ ]' n# I6 P1 |+ G9 c9 i
共轭梯度法的思想来龙去脉和证明过程比较长,可以参考这个系列,这里只给出算法步骤(在上面链接的第三篇开头):
* Z+ W( U# ^6 s5 j5 r @: X0 ~# g
8 x' d! _. t9 X2 Y3 J$ v5 Y7 M
(0)初始化x ( 0 ) ; x_{(0)};x
1 i. ?' A3 h0 m% E2 H4 h! t; L. O
(0)
8 O/ L. @. M* ^: ~& b( a
& K1 E o9 s f
;
9 H; I2 U* a8 ~$ E+ p+ o
(1)初始化d ( 0 ) = r ( 0 ) = b − A x ( 0 ) ; d_{(0)}=r_{(0)}=b-Ax_{(0)};d
# ]. G4 O. J- U; N/ x |$ O# t
(0)
7 W8 K& U$ }7 a' o* u0 ]
; y" a% Z7 J8 `* {5 B
=r
# x1 q1 z5 R% k. v+ G% }; b& P
(0)
: j! u. C& }3 s) u/ b% H2 j$ Q
1 H/ W( {& ^+ E4 o8 y6 q
=b−Ax
4 A5 `3 ?" u; J- ^& v4 t9 f% L
(0)
- R; m7 _/ S% }/ L: e- i8 u$ C
: j `+ R9 P0 T2 i; v% _$ m
;
! d* U5 ~/ w: d. t
(2)令
' ?0 D$ U5 a: f$ ]. e# i' n' I, P# D
α ( i ) = r ( i ) T r ( i ) d ( i ) T A d ( i ) ; \alpha_{(i)}=\frac{r_{(i)}^Tr_{(i)}}{d_{(i)}^TAd_{(i)}};
; N: M Y. W; p
α
/ s8 a6 p8 v6 P- ~* ^/ U( U- P1 G H7 d
(i)
# s7 c6 Z4 u( H0 @$ L
+ \4 @6 z7 P, j% K' y6 Q% h8 y
=
/ h0 |' n2 B$ z7 L- t8 T
d
5 h; m S/ A3 a) ~
(i)
! S& ?2 W6 A, S' R+ ?0 t
T
& i8 a' }& e/ L3 N
r6 k9 ` s, V/ J, R+ n" y; f
Ad
1 {7 O% L8 g9 ?8 W7 K) b0 x3 Z
(i)
$ i5 q: K/ |, J. S$ R6 l
8 v4 e: a/ X5 Y6 V6 [
0 _: L$ v& }7 c9 k- J. W
r
: s7 N9 |2 |4 T# W5 e* \
(i)
% [$ g* `$ k5 N. e. ~8 X q
T
8 k' B% l5 ]' U5 @) I% O; o* D
+ Y; @) v9 M$ d: K
r
" x0 i9 F; [6 i# b" l8 E% a/ m
(i)
" z4 x6 S% K! w' m- r) V6 @
# i( \8 [$ J1 w3 F7 `- n5 y6 ~" N
/ D5 T: q- Y9 z0 i* y
) N; A7 @# n6 s* g1 a2 d$ T
;
O. @, g$ N7 }& W; v4 |! u$ x6 `4 u4 P
0 P, Q- X" o* q
(3)迭代x ( i + 1 ) = x ( i ) + α ( i ) d ( i ) ; x_{(i+1)}=x_{(i)}+\alpha_{(i)}d_{(i)};x
; U: v2 V! g. b8 G
(i+1)
) b: t1 Y% t; a9 }
3 ?6 D0 \9 ~ C
=x
& W% t; Y% c; R2 K
(i)
* `! ?- i D3 S+ Q( H& O7 r i
& |9 t; T7 k) l) O \9 A/ N. w
+α
/ d+ V/ o6 w; @6 L
(i)
6 a3 ^+ @- f: a( j# U& o
9 l9 t4 a2 M* \) _ I; ?0 z
d
& A! d6 {9 i8 f, ]1 B A( ]. o5 F1 u
(i)
5 o( {- I+ Q, G$ g8 U) f
8 L" l {0 U2 _6 @* ^+ L
;
1 f; L# i% {" W4 B; K! x
(4)令r ( i + 1 ) = r ( i ) − α ( i ) A d ( i ) ; r_{(i+1)}=r_{(i)}-\alpha_{(i)}Ad_{(i)};r
) H5 m2 z- R. w# u7 h
(i+1)
% A) `: Q3 E4 _
- L! `5 b- `8 U) l
=r
# o1 n6 N. d+ K3 x5 i5 c+ L
(i)
: ]5 k) v* h) W- x
/ ^) o f! }/ F3 s Y' ]
−α
5 h& \* V7 k1 `/ \7 P
(i)
- d5 {. ]0 H* p
9 _4 N6 M5 ?$ u9 {: [0 P) i
Ad
' T* Y$ w5 y) J ~
(i)
* V1 Y/ u% }" S/ V
, Z) S. k7 ?6 W( G/ w
;
; C/ ?9 {: X8 {* ]. R
(5)令
0 l/ E5 d1 a% c
β ( i + 1 ) = r ( i + 1 ) T r ( i + 1 ) r ( i ) T r ( i ) , d ( i + 1 ) = r ( i + 1 ) + β ( i + 1 ) d ( i ) . \beta_{(i+1)}=\frac{r_{(i+1)}^Tr_{(i+1)}}{r_{(i)}^Tr_{(i)}},d_{(i+1)}=r_{(i+1)}+\beta_{(i+1)}d_{(i)}.
; m" P( A7 N& c' d
β
5 d: f# F$ R8 ^& K7 I, r6 A
(i+1)
# L. U5 n! l# g" A2 i( O
. @3 x' \# R4 M' s# @2 P K) b2 ^8 |
=
2 l; t1 y5 y; j d
r
/ s0 U' T" W. V! Y
(i)
1 s+ a. O9 Q8 [7 x% Y3 Z1 C: X' c
T
9 R" c4 S/ C, R4 m6 e
) i2 N- A$ B- n: ]) M0 r' y
r
! _2 P9 Y9 W* R* c9 E0 h, S$ v
(i)
' k2 N! \" f U! J* m. R
# J/ I# n5 v# z+ |" j) @$ a
4 ~! }# U4 y2 I; ^% f6 V9 c" P
r
; T" M$ l& S# X7 w0 r; p
(i+1)
$ `% g) V0 f" T' x* e
T
+ }6 c9 o9 `' w0 @: y) ]
, w7 f& A) s! c! M! q
r
1 d. C$ t+ o0 b, l. U* G
(i+1)
( w# G; q ~! X! I( I: A! {
7 F, Q6 E* Z* Y8 J
9 D1 P. N% f. i
' U' Z+ ?! y. F- I2 x% g X( o: q
,d
) N1 s6 F, l- i7 F
(i+1)
0 {" O7 B0 ]) ]9 X3 N4 ~. _5 ?
" ?5 f u- C. d# p5 a& [ _% p
=r
( q9 I# \; h! A
(i+1)
0 T# a& Q4 C0 k! K ]
$ ]! a6 j- |& G- O
+β
0 `. h& G* m* C+ f% v
(i+1)
L* I z8 w" N9 u
8 P3 \& Q/ Z! Q" N6 _) g$ S
d
, A8 S# _, Q) r3 b# F
(i)
" q- D! q6 i; E2 ^9 s/ v
5 Q9 h4 V9 K; ~
.
0 `. Z3 t( b+ r& I W
2 W# X& M( j! L3 d2 V
(6)当∣ ∣ r ( i ) ∣ ∣ ∣ ∣ r ( 0 ) ∣ ∣ < ϵ \frac{||r_{(i)}||}{||r_{(0)}||}<\epsilon
$ Z# n' `6 |* n2 c
∣∣r
# [6 D. b- c7 o6 @, x
(0)
1 X- w" Z2 {' F- i6 \) `
1 e0 _5 }# z& B2 ~1 z, O
∣∣
5 v1 t/ Z8 @: ?, K2 m; y! n9 [
∣∣r
+ H; ^' Y6 U/ z3 r' \
(i)
; o I2 b) h _1 {* R
$ `: ^# B2 Q& t8 Q* g: R
∣∣
( r) u; M$ f* J5 x% k) g0 n
" O( A% O. ^/ S) j, k
<ϵ时,停止算法;否则继续从(2)开始迭代。ϵ \epsilonϵ为预先设定好的很小的值,我这里取的是1 0 − 5 . 10^{-5}.10
6 N$ {7 o* r6 d5 U1 b! {3 Q6 I! j' n
−5
7 q1 c& ?. A1 b; S: O2 L) D
.
* C, S; y' w1 J$ N( X& b
下面我们按照这个过程实现代码:
I8 z# c* m8 _6 X
& T/ M! e b- Y2 G
'''
. t! g0 w/ u% H3 M
共轭梯度法(Conjugate Gradients, CG)求优化解, m 为多项式次数
- C' l5 d6 y V- A
- dataset 数据集
1 S3 }! P2 W) v# l6 A3 E6 J
- m 多项式次数, 默认为 5
+ \5 |- ?, }/ F' W$ j( r
- regularize 正则化参数, 若为 0 则不进行正则化
6 r3 |( f3 p/ f; j" E& s
'''
+ D5 x: q; K5 H/ L. [
def CG(dataset, m = 5, regularize = 0):
/ n- s) O6 w% v! L) D
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
8 R+ Q( w# ~$ ~- p# Z# r
A = np.dot(X.T, X) + regularize * np.eye(m + 1)
" r' g4 r8 p* y7 f1 j
assert np.all(np.linalg.eigvals(A) > 0), '矩阵不满足正定!'
& w3 Y! q4 s: {, H: [- N) e8 \
b = np.dot(X.T, dataset[:, 1])
, D9 y: r4 b: h+ q6 F- Y; I
w = np.random.rand(m + 1)
/ }7 c7 ^+ I' {: t e
epsilon = 1e-5
. `. Y& `: K9 n
" U' Z- z8 T8 k* Q+ d4 v
# 初始化参数
# [ p1 v3 B" o
d = r = b - np.dot(A, w)
' o; Y( D3 Y8 Z2 g o& ~8 S
r0 = r
" K$ R" h" T# O5 z% {; {
while True:
F0 K+ V8 z% E- n/ Q( ~" k7 h% M
alpha = np.dot(r.T, r) / np.dot(np.dot(d, A), d)
8 V, l6 r$ N! I8 g/ m
w += alpha * d
' [- n2 \, p! c' V U
new_r = r - alpha * np.dot(A, d)
9 Y# R3 t9 H. C2 ]9 Y/ d- A/ A0 M) G
beta = np.dot(new_r.T, new_r) / np.dot(r.T, r)
$ p5 J4 x7 W2 ?0 q( j& Q; N
d = beta * d + new_r
$ B' W# r% f# s& M% I
r = new_r
0 l# S. A' w1 `( E' x" r
# 基本收敛,停止迭代
% e9 G; B$ n- k3 |4 w ?* ]0 ?
if np.linalg.norm(r) / np.linalg.norm(r0) < epsilon:
& T+ X0 Q2 v [; T0 {0 h
break
! Z- T6 J+ T C( Y$ L
return w
0 i( d1 h4 w$ ]6 @$ g; L$ u2 g
- i* T/ W7 A- z& }
1
1 _- ^2 E8 Q5 Q& @, h
2
9 t1 B8 b. }0 N+ G+ i
3
0 e& K) H% o( A0 q2 p D
4
, m3 d& U5 q9 o: N+ y: i
5
/ f4 ^3 H# w( g% z; C( h7 }4 _6 ]
6
( n+ V3 L# f9 ]4 H7 L% E
7
: N! s$ a* }7 \( l. Y
8
. y* V/ U( Y" r1 n$ G& U4 K4 i8 y# F
9
* O3 B8 m6 k$ F7 L9 c: W) k
10
5 l+ e& A* U6 y, m: w
11
5 Q5 I; H& q& R5 \6 Z# |( q K
12
% s; {+ _+ T- \9 N u3 P: |
13
$ G: T( U8 W. q9 |3 n8 u
14
& Y. C; K/ T+ |
15
3 F6 { _8 c. X/ \
16
$ _8 E; m# K7 f7 U& g
17
5 ]2 K5 ?5 T4 O) p# C
18
1 E3 V$ k; h6 K6 Z* R
19
1 ?: l% p0 K" p' @) ?. G$ z
20
" d5 |8 E3 C- `* M: f# r- z
21
) q8 a7 s I& \* B, w
22
( f% g0 K' D4 ^& u
23
9 B! H+ q$ ^& S/ E% J( | E8 J
24
) e% L% _( J$ h* l9 b
25
" A; [+ ~) F0 l
26
" S& p% f; ^7 M
27
3 {, _$ g' i# u% B9 l
28
, q0 V }4 X) |+ j
相比于朴素的梯度下降法,共轭梯度法收敛迅速且稳定。不过在多项式次数增加时拟合效果会变差:在m = 7 m=7m=7时,其与最小二乘法对比如下:
6 i2 I' K, @& h8 `
, n' `5 z% [0 v3 n) L3 W3 |
此时,仍然可以通过正则项部分缓解(图为m = 7 , λ = 1 m=7,\lambda=1m=7,λ=1):
- r& F3 g* @) T$ @) \4 X0 Q* }
: w9 I4 T* A& d3 l
最后附上四种方法的拟合图像(基本都一样)和主函数,可以根据实验要求调整参数:
1 }6 O0 R% ]7 _) A0 {; z' W: K' c
$ k" [/ f0 _4 x
8 m% ^5 T; [# ~, R+ M; e
if __name__ == '__main__':
/ d m. J2 O6 }$ B& U# V: y
warnings.simplefilter('error')
" R4 R0 A B3 v. l/ }# N
* R4 P( F7 e/ Y( i7 N
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
! V/ E; l0 g4 B
# 绘制数据集散点图
- I* ^5 x/ G- k$ f
for [x, y] in dataset:
/ C1 H5 K$ ^9 m) V
plt.scatter(x, y, color = 'red')
$ v6 j1 U( S) o* c) ~
+ p6 v& k0 l3 ~7 v( k
9 ~5 c: i# i5 B6 g# \. d4 F' U
# 最小二乘法
1 L/ b& s; p8 H) |
coef1 = fit(dataset)
1 P) Q! m3 v0 d9 ?: P5 Z1 E1 a% P
# 岭回归
0 t" i5 _2 Q6 | D+ a( K, x
coef2 = ridge_regression(dataset)
. U c/ K4 T/ Y( G: R/ c
# 梯度下降法
! W9 a2 l2 P, ~3 |6 P% @; r0 E
coef3 = GD(dataset, m = 3)
, ^4 h% E; @- [8 k" |( j+ U
# 共轭梯度法
7 H8 N4 |7 g. N1 _: T
coef4 = CG(dataset)
" K0 k8 ?, [8 u! u6 u6 `) Y
. ^6 @4 W \6 W
# 绘制出四种方法的曲线
8 Q0 L; Q8 ?9 {! Z( ~/ l
draw(dataset, coef1, color = 'red', label = 'OLS')
* V" \: {0 v0 T5 K9 e
draw(dataset, coef2, color = 'black', label = 'Ridge')
g5 ^9 I- S- ]' {7 s
draw(dataset, coef3, color = 'purple', label = 'GD')
& U5 {7 ^3 B C7 a8 ^% ^
draw(dataset, coef4, color = 'green', label = 'CG(lambda:0)')
3 _2 j4 y( L: p* M
0 y9 @+ S/ U, z- a9 O4 n
# 绘制标签, 显示图像
3 U% N( x" T/ O2 P6 d8 q' d9 w' s
plt.legend()
! p1 X) |1 @+ X5 [$ f) S, _( n9 s
plt.show()
, ]8 O* K4 l& A) [, `& v
7 \3 F1 b Q- }3 K
————————————————
( ]' d$ O1 V: R
版权声明:本文为CSDN博主「Castria」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
+ W" y/ w) Z& P. O9 j( D
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% m; p$ P' g( e! m6 h7 E; z
! o! S( @; a! ?% z
% Y+ p, L. I3 a |; _4 `) i$ w
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