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标题: 哈工大2022机器学习实验一:曲线拟合 [打印本页]

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
3 l: {' O8 a6 n  f) y+ ~/ `" t2 x$ m  k; x
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; @6 {  Y  w3 B9 _
7 O" \7 w8 O' e& D# s/ Wimport numpy as np
8 f2 k8 b. V+ R  pimport matplotlib.pyplot as plt
5 \; |8 l; y# w6 i9 d1
8 ^* U- a* h( J; ~; ]" p2* b, c1 o$ V0 y; }
本实验用到的numpy函数8 b5 _9 u2 `6 F- E& R3 H
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。
; ~& R& y* j8 p6 B! k2 W1 G4 l( P7 X
np.array
( T' q+ _# T) _  B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; E& H9 C" ~8 u6 ~$ k, e5 v
x
# m0 R1 O- o3 j* i$ ]5 L5 y6 {3 wx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。
. i, m9 G! \4 G! m$ R0 y$ r
# f9 ]& O2 B, X3 y" \' f, z>>> x = np.array([1,2,3]): q& I( N, x: M9 j3 u/ u+ ?0 O
>>> x
. Y5 T, |* }( p) f* b: Qarray([1, 2, 3])
) Y. N, X0 s; P9 t* t>>> A = np.array([[2,3,4],[5,6,7]])0 `4 \. ?, D% v1 S/ k8 j
>>> A- P3 I" B, D. d; d6 J+ d
array([[2, 3, 4],
$ l1 X  k3 c& G( D, m       [5, 6, 7]])- s3 k4 Y8 f9 w- Q- K5 w
>>> A.T # 转置
2 L# H& T% \* V, E4 F" Larray([[2, 5],$ u7 r& n# `, k  j. C* }) q( H
       [3, 6],
8 N, s+ P! L) ?       [4, 7]])
+ l* A9 U' f  v4 j# y  [6 B  ]) o& l>>> A + 1
3 u2 R6 P. `7 P% X' ?7 Sarray([[3, 4, 5],! V$ j' R2 S# i% A, s0 K' j& Q/ c
       [6, 7, 8]]), @' R( Z! l4 a1 E* |
>>> A * 2
) n" x& D$ M* ~5 n: A+ ~- D  Varray([[ 4,  6,  8],
5 E% O, G) p' y3 ?1 j! o" k, g" P       [10, 12, 14]])9 O+ o1 m, u, J/ A& i) o- W
( V  D  S- B" g3 t1 m0 J
1. P% ~# d) S4 g
2* P+ ^- Q# ~$ s5 X
3
$ [5 R" d( i) C5 d1 s8 \$ ?4: b: X& A$ W: `" b7 e- @" H; t/ C
50 [3 b; U" F8 V3 h  K1 K
6  C# M. U1 L1 G2 f% f& z8 R5 C$ A
7$ H, Z% s/ _0 K( N
8/ `2 [+ N9 f" m' S
98 O: U+ A) H8 b0 d9 c
10( a! m2 u3 M' o$ X- I5 L* P7 H
117 q0 }; }: \6 n/ U, t& n: ^; u
12
( j' a, l4 U# n13
; n. a5 G* j+ W, B: k14
6 ~( r4 Q; V) ]0 v# M' D15
$ L" [5 ~' Y% A. S& l7 [3 t16
( u2 E) l+ n- m8 Q17
% O# w" E* I% r+ [& H$ g. H8 p+ @np.random& G" G( Z; I. r; k2 x
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。
( l6 f/ \/ v' N* d
0 S* N6 z4 R; t4 _* R- _. W( \8 ^>>> 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7 W" s$ w! w" M3 Q6 `9 r+ Z. h
array([[8.18713933e-01, 5.46592778e-01, 1.36380542e-01],
  z1 e" k& R2 c6 ]       [9.85514865e-01, 7.07323389e-01, 2.51858374e-04],
% s. d1 I, n/ H% I( r- l; V. n       [3.14683662e-01, 4.74980699e-02, 4.39658301e-01]])( t( H+ G' i3 q/ Q

9 w! z& F( |8 E' i# ]>>> np.random.rand(1) # 生成单个随机数
5 n' \  A8 r% X- f' G' i$ E) {array([0.70944563])
9 A$ I% M9 V3 w- o6 W7 F# G6 Z, L  G9 W>>> np.random.rand(5) # 长为5的一维随机数组, T7 x# c; p; J6 I/ S/ v
array([0.03911319, 0.67572368, 0.98884287, 0.12501456, 0.39870096])& q. e8 @. V* _! }- y$ J
>>> np.random.randn(3, 3) # 同上,但每个元素服从N(0, 1)(标准正态)0 M8 X& R- m0 J3 |- V0 p0 B8 s9 V
1
7 N) `! Q, x7 o0 Q6 |( d2& ~" i+ o1 T" y
3
3 {, B8 l: S7 Y$ `9 `) U4$ A5 U6 t8 d' |
5: p7 s( X& G% J7 p3 y" {
6
+ d- J- b# q1 R7
1 Q' p8 ]  }/ c7 G) I8
( ~# B) p* l8 [; n) X+ l1 z+ k# s9; L8 ^3 K4 L; k/ F  X& Q
10$ E6 W7 w0 u4 x% r6 [
数学函数! \, w) ~0 X6 n4 T6 u9 A2 m
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:0 k2 `4 @1 |! ]3 h! B' K
6 H- \/ V# X/ I" f2 ~9 T9 Q
>>> x = np.array([0, 3.1415, 3.1415 / 2]) # 0, pi, pi / 2
1 ]; T$ j4 v$ }  I. w3 }>>> np.round(np.sin(x)) # 先求sin再四舍五入: 0, 0, 17 O  c9 }1 Y5 t7 ~  c! `  z
array([0., 0., 1.])) @- j" k" F2 D( f' |
1, L+ O6 d5 I9 F8 l
2
0 _2 [" d0 C3 P% Y37 W( N6 T2 r% Z' N6 i7 g
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)。3 B8 X1 v/ @% n% r* z

8 d  A# }! D& b8 d" y" lnp.dot; d; Y) K9 Y( I: d, I
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.) r. h" u, S9 {/ E
) p' o4 e% `, F/ |' g' _7 X
>>> x = np.array([1,2,3]) # 一维数组
3 J# f# \3 J; q8 I>>> A = np.array([[1,1,1],[2,2,2],[3,3,3]]) # 3 * 3矩阵: @9 q! _/ V5 z# o
>>> np.dot(x,A)4 c$ k4 C! d, n
array([14, 14, 14])2 z% z6 n. Z( j" }; w& i
>>> np.dot(A,x)& D: ^" o6 c0 z5 J
array([ 6, 12, 18])& n5 o7 ^, x( F  `/ |

3 s0 ]; O! k: B>>> x_2D = np.array([[1,2,3]]) # 这是一个二维数组(1 * 3矩阵)
8 d$ P1 {7 S/ ?; E( v2 k# [>>> np.dot(x_2D, A) # 可以运算/ p7 `% H8 G2 g/ Q7 a
array([[14, 14, 14]])
8 ]8 i6 o! D4 Y) R& A6 r>>> np.dot(A, x_2D) # 行列不匹配
: e' E7 e6 L4 LTraceback (most recent call last):+ X) |) x% E# u) h) {2 k9 [2 p" z
  File "<stdin>", line 1, in <module>! w# F6 l" V; W% }4 e
  File "<__array_function__ internals>", line 5, in dot
; ~1 t' u$ R( x) x: q: JValueError: shapes (3,3) and (1,3) not aligned: 3 (dim 1) != 1 (dim 0)0 I( Z$ ?% \( B3 Y, V! f0 b& a, a
14 x5 v4 P9 \. Y9 V2 q: ^/ t, H
2
1 I0 c! F4 [9 k2 U% g: F/ {9 Z3. ?) B; }8 y! D% e) U. [
4
' k. i1 F0 G/ o1 I+ W+ y56 c6 I' H$ e: v: X
6$ H  Z; m8 ^7 ]5 _: B
7
, V% ^9 ^! |; B9 v; u& z8
8 H; L: E5 A/ I8 v$ N9' Y' F) p( p& P
10: p; Q/ W. V6 [. a' N0 }% R
11" [- n8 [% Y* E$ W" I4 g4 L/ b
12
  v5 C9 [; w( G) p( j7 ?7 ]+ h13
: Y' B/ V3 n  R0 K14
0 I0 |3 D; }' i# U$ ^& B4 A" j: z15
2 ~* I8 ?, D9 C3 K3 N# O* unp.eye4 {2 M$ U) w6 y8 \( v
np.eye(n)返回一个n阶单位阵。5 Y) e" a' T. ~0 }  d7 z, i
: X  O! v/ u% [* L
>>> A = np.eye(3)
4 ?: H( X7 G% {( s  i- N>>> A2 ?, U1 V* }# ?; b( \
array([[1., 0., 0.],
% q& W8 g' @/ m. H6 f: o       [0., 1., 0.],1 f$ x7 X1 k* \* r8 O0 ^
       [0., 0., 1.]])
0 n. X' L; E; k2 [! j! c1: |6 p- u' C) t
2" K8 M% A( b" k7 o1 c! ?
3& x5 Q# O9 m$ K$ k
4
$ ?4 o6 g8 z0 ?1 Z; r! Y50 X) a, F6 ?7 s; p) ^
线性代数相关, @/ X+ u% T- D  J% p
np.linalg是与线性代数有关的库。
. X+ Q% A  `8 r# H/ B4 W0 Y4 i( K4 d
>>> A
4 f6 f4 C/ b8 Y0 j7 `' uarray([[1, 0, 0],0 `, Y* `3 u# K8 {+ P
       [0, 2, 0],
! S& H, F( \. C  W! |       [0, 0, 3]])/ A0 l4 J% j" |' l' _
>>> np.linalg.inv(A) # 求逆(本实验不考虑逆不存在)
& _4 z# c. @& Earray([[1.        , 0.        , 0.        ],
3 F2 `9 s, ^% t0 @1 W1 W       [0.        , 0.5       , 0.        ],% a/ K- p& ]) w6 y  P! x% b
       [0.        , 0.        , 0.33333333]])
+ j4 p5 M: w  Q9 S, ^>>> x = np.array([1,2,3])
8 @9 W' G# v1 T>>> np.linalg.norm(x) # 返回向量x的模长(平方求和开根号)
% S6 g+ p- {( J* q; Y9 A6 L3.7416573867739413
; g9 t2 ]+ a% V9 @, L9 d% R; n. I>>> np.linalg.eigvals(A) # A的特征值
2 z! L0 }7 X. l' r: marray([1., 2., 3.])1 L3 F5 g! n# u" F6 a) e4 x  x2 s
1, e2 Y6 ?5 r4 E# k
2. f5 C- M& p; F- K) K
3/ w" N0 R+ T4 Y* U1 E! y# `
4- K8 A+ f- v0 e$ |
5
1 v2 m) m2 c- }6 {. g) P9 L6
  {6 x0 p% a6 }& n71 _% x7 `% P* Y( @3 ?
8% Q$ m- F0 e2 d! J9 i  w+ u% T* b! g6 C4 E
9
& {( ^$ N) w( S3 K- V9 N4 \10
' s8 P3 W- n. g11/ b/ ~  b7 P* c; A/ ~1 A
12
) h" u4 C: p; H, Z6 r13
& A) K! U* A% v7 N* n生成数据
) @% x& k' _0 e' G/ I2 z8 F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 + h. p- M6 I3 A/ ?; C5 I
2* b% B" }( n! b3 R1 C
),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} ! w/ |% W9 f1 m9 z: Q* v) e
256 h6 o/ {) [5 ]
1% @4 e0 a6 [# N0 u! w3 {

2 W2 d+ m1 J0 U: H9 {  {. Z )。
5 V- @. S7 H0 T, T
8 p" B+ u6 X0 k% A& H  r'''
9 e. i" g/ @9 S5 I* U' X1 w% c返回数据集,形如[[x_1, y_1], [x_2, y_2], ..., [x_N, y_N]]2 O3 |7 g+ u% \4 I  r- v7 m# S
保证 bound[0] <= x_i < bound[1].4 |3 }/ r% @# b$ F6 c
- N 数据集大小, 默认为 1007 D2 a3 X. r: k+ P) ]; V
- bound 产生数据横坐标的上下界, 应满足 bound[0] < bound[1], 默认为(0, 10)
7 ?! B8 |0 r# r+ N- p- b9 e0 E7 D'''; S& p# N/ c, C; u: _
def get_dataset(N = 100, bound = (0, 10)):% R% F1 r# Z8 s! _" d
    l, r = bound
. Q3 F* F  s: _; b. X* N    # np.random.rand 产生[0, 1)的均匀分布,再根据l, r缩放平移* X6 a( q2 @( A2 Y9 Z  O, e; ?- R
    # 这里sort是为了画图时不会乱,可以去掉sorted试一试
) I8 o4 K4 r3 J1 d0 F8 x1 H    x = sorted(np.random.rand(N) * (r - l) + l), d. _7 N+ E$ u& \
       
* C" A4 V  v3 Q: W" r0 j: }0 C* P* j        # np.random.randn 产生N(0,1),除以5会变为N(0, 1 / 25): V& x& W+ F" t8 d$ N
    y = np.sin(x) + np.random.randn(N) / 5
  T8 }/ V- O& N+ N% _" b# g4 t7 b    return np.array([x,y]).T
. Y; d; R0 g+ ^1+ ]0 L- Z$ u! c: }9 n3 L
2
, G, h# u4 X  ?) @: b5 n- k4 A5 G3- Q; c8 W% Z; @( j' w8 G7 S
4/ i! [. f& Q- n7 F2 p
54 v$ x( q! @+ ]1 I! V, C/ Y
68 E/ I9 P+ U. _/ t. J; u' o/ ]7 Q9 U
7
7 ~' e* N! ]0 X8! A5 v) o3 X! {  }9 c
9) c: q" l/ ~2 Y5 J
10, E& x, {% [6 j, |- s
11
0 n: n$ ]5 C# @$ I; K12& r0 [; i* f9 z; L4 p
13% j3 }* P3 m( ^9 \$ ^
14, q; U$ i1 z( u8 x! r
151 I1 D/ W! _( ~9 B6 q: l
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:  ~9 V+ c4 B1 D( j# M
8 {4 w7 h, V. Q$ ?* x0 [
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:7 g1 y) x9 ?- k, M6 @" ^" o
; |- b- A. |# _! [2 v
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
* o% Z4 Z. c1 F; Z0 \, Z+ e# 绘制数据集散点图3 ]: g' [# ~" D  r: `
for [x, y] in dataset:" n2 w" |! v9 d5 T
    plt.scatter(x, y, color = 'red')
0 @1 |0 x7 z- M9 Z/ X# vplt.show()
. Y( j7 w3 e" e2 T13 _7 C6 b# Z1 p4 m" @7 c# U% _
2' ], V: B" K: l' s+ S
3
$ R; l0 O# ]2 V' ], w  G+ X7 e4" I  j5 d$ c; {6 m/ g
5  n4 L/ `: ]# z) c" M
最小二乘法拟合
/ T' M! v3 N  k: M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。
* r, o  l. @; l4 g; L* t2 t  t
$ ?7 ~& J( M+ C" U解析解推导
$ o" h2 R, c* k* F$ Z1 P7 [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
0 a  a2 U; Y1 [: v, j+ df ( 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
0 P% K7 H; y& W( A0 {& \- \f(x)=w , H" C  V: l% b* Q! a* G
0+ v* |3 U% `( q! E/ P' g
' ?: S9 O9 v3 ~* v( V3 ^9 e# p! g
+w + \% p; I5 p  e' u0 U. H+ O, S% e
1
4 \! i+ y; A+ u- l' ~& b" V' x& p
  {) A0 r( g1 x6 s3 ` x+w " Q! b* l; w: p2 f* s5 b  h
2
& B6 c+ S$ P* f% e
. }; c- w% |2 b# ~' ^& q x
9 @6 c5 k) P0 E3 r/ b7 s2, L0 P5 U6 x  w# \# G) R
+...+w ' \" z6 v) O1 ~% _  S% H1 J
m) p' S0 g# b6 a2 ^7 m
$ S# l1 _, I4 _
x / U, R# l( ?5 y% E
m0 H7 P$ e* e: t+ l$ U9 N

2 t  `( K. J* k/ b$ o
- b" i) _/ a2 `# Y+ f* o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
8 M7 |( |3 Y* S: a- f3 k5 o# \1; u) V7 b3 }  Y2 Q; ^5 h# @
  N" s. y1 W+ r; m, B; b1 ?, u
,y
" W( K% S6 z" p" _2 _3 ?1
" _2 k; V7 @& j4 Y% e3 [1 q
% R5 Q1 J* c- [( t/ n) f+ c: I ),(x
" L4 M5 S# W8 A0 \* F2+ \" W; S, V6 r* f

8 k+ T# `$ G+ d ,y 6 p( P! V1 g/ H2 P5 G
2
3 z! s- Q& @+ m% `# T0 Y5 [0 @# v
# k4 m- W8 t5 M1 R6 M ),...,(x 4 ^! k4 ?. ]# U8 x9 i( e# z1 E2 T& y
N/ }3 q( K2 f2 j$ n5 b- ~+ T

( h+ a! E- m( ?( \, ^: y: j ,y
- A" D3 b" C# hN
" A% j9 I/ ]& {2 h$ B/ C* M; V: q- G8 |, ]/ ^- I
)上的损失L LL(loss),这里损失函数采用平方误差:' r$ I$ H) B# o( }  J: \, v
L = ∑ i = 1 N [ y i − f ( x i ) ] 2 L=\sum\limits_{i=1}^N[y_i-f(x_i)]^2- W3 ^/ L( |) D3 R, }: d# L  u4 e
L= 9 ]6 M. Z! @! o; a! z, X: ^, f
i=1
2 S6 a5 B, A5 T! o" [  G) A6 ~
) L( ?, ]9 r: E6 U" D/ ?N
# m) q( ]  Y  e& W: o0 h/ M) F# O, d# ]$ V
[y # z& @# w: w1 A/ b! P  H
i: K% Y8 C8 i: g8 ]2 s0 U

# E$ v( I' B; `9 }0 [, p. d −f(x # Q. B- l, F" L. E' b& w
i
+ e4 f- h# J3 F2 \, n6 W. ~0 v9 \, B' |
)]
9 r3 |6 s: c( F' r5 G5 A" M2
3 X. h3 ^; N  M( I, ~' j; a1 n' E
5 G. _# c0 @" k& b+ ~, B; d. 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 6 t# X- V/ h- C" R1 L
0% F. v' |! x# T" Z! f& A! ]
7 M+ T2 N' y3 @, ?& G
,w 2 _# w& u$ a% G5 G( |6 P/ i
1
  O+ c9 a9 u2 a: x3 x+ Z5 o
$ J7 i: A3 A; T/ F ,...,w 7 a8 d$ u4 K# d. {4 V9 J' a, e1 f; q
m
% k. a( `* b5 o' d3 u# K) v/ d& R( A9 a
,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
7 m3 g5 {2 C. ~+ ?! ?0- o0 e; C9 b- y
! n/ M2 |7 }: P+ d1 _: \( x. G
,w 1 P' p2 @! `# P& q, f2 R
1
& w  V" K4 `% b$ l7 O8 L6 r7 s+ q2 U
,...,w - z& T- I: B+ Q8 L
m
4 x: h0 G! _" d8 [4 J
& `$ J4 T/ }8 u5 f* L& x3 q) X 的导数。为了方便,我们采用线性代数的记法:4 |9 e, s- L% s! O
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=
! A% B2 _+ @# J# W: f5 m. I2 ?⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜11⋮1x1x2xNx21x22x2N⋯⋯⋯xm1xm2⋮xmN⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟
! {) @1 N& V9 C- m8 g: h% R- `(1x1x12⋯x1m1x2x22⋯x2m⋮⋮1xNxN2⋯xNm)
. p2 @( w3 o" O_{N\times(m+1)},Y=' x$ u% M% Y9 J& k( F; v
⎛⎝⎜⎜⎜⎜y1y2⋮yN⎞⎠⎟⎟⎟⎟
3 z# g( l+ ?  z(y1y2⋮yN), ~$ M) j. c4 j, k& p' W! |
_{N\times1},W=
3 I) C+ X! i) }2 ?⎛⎝⎜⎜⎜⎜w0w1⋮wm⎞⎠⎟⎟⎟⎟
9 z' K% H& `/ c1 a& [8 i' L(w0w1⋮wm)
$ A# I2 U  ^- W9 |$ s+ H1 F3 l_{(m+1)\times1}.
% m2 Q( m2 S3 s4 kX= ! d( X# M1 Y1 V$ s9 z$ d; g. r
% i( I( _3 ]$ f* Z- g2 M4 Y) K% W

. Q( d3 l& |# f# |' @5 l5 B+ d5 H7 \; x# x( x1 e  d

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* v* e9 d6 I. I( W  m8 `; w! \  ^; \
1
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" }4 P2 T+ C) @x   S% |2 W6 F# y$ P9 r0 b! _
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( {& r( C. m- I. O3 s0 r- @6 p7 l' l. _" H: Q1 w7 l6 V

% G* y/ U  m( Z9 p+ z: }5 E3 I3 E3 Q9 e
N×(m+1)
% Z& s7 l" b* }, M: Z1 o( D  O% S  u
,Y= 9 `3 t0 r8 o% D+ F1 h, q  ~

4 [! _. D8 `, c* y/ c( ]  H: d! X' T% Y; t# l( c* _( @, y
. i$ C8 y9 k- L2 c
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y
- q( s- ~: @8 d17 M2 M- |% ]: m7 F2 j3 {, F: n  U  m

' V" V# T) b' L8 F& ~$ Z% i# K: E: f4 s7 T3 ^
y
+ ^3 M$ l* m7 {# D, d) A29 ]! D8 d" M' e, P

8 p+ r0 {7 T4 z! N; q! q  x3 Z6 C. p2 n" ]) D$ c

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3 Y3 r& z5 S% M; p) \! HN( _% U  i+ Z- M+ f' j7 e

/ v# }6 {1 x! X9 O1 p% I: D% R+ A) j0 e7 m1 L9 D

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" M3 u- n# \; w6 X8 E" s$ e: I
3 v0 q; Z1 J$ l1 w; Z9 F4 ?+ X& tN×1
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,W=
. q3 D  }5 h+ K; ?- r& U# d" a
8 o- r1 d2 O& ^  W& t& U+ r9 R6 k; d* k6 m+ s& X

; t1 m7 t& G* o8 E$ ]; J- ?( n! p9 m& x# j: S4 a) |$ v
w ( P6 j6 U/ |+ c9 M7 J4 \
08 ^% Z, k- N: y6 t. s

8 w& w2 A8 Y- g! V9 p5 F. S& W
# Y) S# B& r6 gw 3 L8 _& w$ j; c# a" q9 E
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8 e0 `; o8 y* o; ~; j, h* P. S- _& K, }7 ^3 }9 r

, B; |0 Z, N5 O/ m+ o! F
% X' h2 p$ T- G# c1 Aw
. K0 K2 U8 ^0 y5 P1 o! l5 o) Rm4 k3 _( M& A& L) k+ M# x

2 J' C# F; |2 [( M" t
- r- _. l2 M' o1 {9 X* `
2 t5 R* f, Z; _4 E. [7 }+ u, v! @0 ~4 F1 g  }
! }: u; }5 G5 P7 s
3 m$ B# D& |4 f; t$ r0 @0 B. ]
" V. z( L5 e! z% t. x$ \$ F+ f

; U. h6 ^! e/ f4 L. R/ J% K(m+1)×1: i  S( ~# |: T. L

7 I! ~4 f( c/ y2 y2 ~ .
2 y, Y$ A) o" W1 z5 }$ F4 y4 f  Y) {
在这种表示方法下,有
5 d0 }! s' P  q( f ( x 1 ) f ( x 2 ) ⋮ f ( x N ) ) = X W .$ @; {) Q  K0 W$ @/ ^
⎛⎝⎜⎜⎜⎜f(x1)f(x2)⋮f(xN)⎞⎠⎟⎟⎟⎟. R3 }- o5 l* N" b7 D7 r
(f(x1)f(x2)⋮f(xN))
) s  L% _6 V; |* G= XW.: ?+ J% Y3 b* H, X. ?0 y7 c% C9 A

. n9 m( I& `. u* X
3 k+ f6 `6 [7 _- _6 F3 R7 ]& K! s; R( V8 C2 `
4 X  Z7 W, ]* G* K4 l% J$ X* ]* e! F
f(x
2 M0 a' x" R' Q& u! J1
' M4 n2 L8 \' Z% J- e* G
% e' ]& C7 G; I+ t4 x( d; E% T/ Z )
: v3 t: b/ y8 d/ _f(x
/ Q0 N; p5 M) l6 [$ T  B: l2
$ L5 p* ?8 r/ v% v  A
  x5 A! O' h1 K8 C' r0 ` )/ ]  d5 @- c. H1 `. R/ {
" V. d/ l! J. K1 p5 E5 x# W. d- s  j
f(x   A% ^5 _: m9 Y3 `* I% @
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! s; W1 \- w' \& L* y( B* R- ~$ Q3 ~
)
8 T5 G) w8 Z( ?3 v3 I( }/ k- _, l; ^# d' w

7 z$ W' w5 E% t9 X" y; H/ c# P; l! b: c. Q8 C5 F, D

' Z! v: F1 M  F% D* o
9 B8 l7 d+ u  T  W  ~4 P. H =XW.
5 A. z$ b, H. ~0 N$ p! ~
+ Q6 z8 r3 B/ o/ g6 O2 ~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% z. M: Z. z! p: X6 P& M
( f ( x 1 ) − y 1 f ( x 2 ) − y 2 ⋮ f ( x N ) − y N ) = X W − Y .
8 n* N, K3 w: D# ]. O⎛⎝⎜⎜⎜⎜f(x1)−y1f(x2)−y2⋮f(xN)−yN⎞⎠⎟⎟⎟⎟
4 c8 O6 W3 X2 J  [( g3 t7 b(f(x1)−y1f(x2)−y2⋮f(xN)−yN)6 a, Q, N7 p* g' l" Z  o
=XW-Y.6 ]1 T2 x. @) h/ p  f3 x( U4 F

* t3 r3 U! X& X; }
) e% u  [* W! f( h+ o+ f4 F! V( g! u5 R# q* I( w+ S8 B. p+ t
6 B' I6 M4 Y  k
f(x
# J. v0 p$ e+ `# O18 b- ?# n" [& t2 T# i2 N
+ y, ]; F3 I0 k8 f( O1 G; B# L9 e
)−y
4 K& ]7 L6 Y" e' x1
7 q; A: |0 N, i9 w) g8 B' s2 d8 B+ h2 ~

  d3 n, B+ p, d2 z+ \+ qf(x
# k9 f* j. D, J2
! k8 E/ F/ |* E8 @6 ?8 K5 q7 Z6 b$ b, j2 X4 y* `1 g
)−y - @  d( ]/ K- z6 A. j6 E
29 t$ P% F7 ]2 Y8 ^  j# \* J9 Y" W0 Q5 i
1 @6 R/ u) A7 Q% K$ X9 M: O

# \7 y  u. z% n+ h; F# K" ]
( U4 r) c8 B# I/ ~* H" A' Pf(x 5 u1 S% k5 \/ B7 f
N
0 N+ ~+ @$ W0 E! Y7 j0 d5 [1 E% `9 }8 e
)−y
* M4 c8 ]) b4 z  V9 @9 tN
2 K7 t. r. k7 r5 r: d$ h$ m5 b7 C) h: c, W2 ~; e( }
8 ]9 Z# z1 a0 a5 x

  J. U. t+ G9 `+ h& f# v7 o
$ o9 T& g1 z$ i7 l1 B) A( f6 U/ O
! q9 W7 M1 E  n" f  d
- O. H" b+ _) {3 A2 ^& J% e% v$ K% h
=XW−Y.  y! A9 y( a! h4 {
2 y& a2 B7 X% Q+ l2 f7 r; U3 S
因此,损失函数
( p  ^1 o. M% q3 D8 D+ Z* L+ D' |L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) . L=(XW-Y)^T(XW-Y).
% J: S0 `8 \8 X4 f* gL=(XW−Y)
; s! \9 E8 z: V6 i+ T5 E5 o$ sT! D4 p4 O. e9 H1 A
(XW−Y).
8 A3 V5 s' O3 e: ~& {& E  g% Y! J* m, E, d: U3 t4 T! b( r
(为了求得向量x = ( x 1 , x 2 , . . . , x N ) T \pmb x=(x_1,x_2,...,x_N)^T
% B$ H' G$ w6 \4 J2 l' a* Y$ fx
! V1 w' F  C( ~9 R7 X# q- @; Hx=(x
, l" j- m! \& F. q1$ ?6 h9 Y4 X2 [4 s3 I
8 t* O0 |7 W3 p$ p3 O
,x 3 }' C8 v% h3 d9 k: [8 b# e
27 ^7 L0 K0 ]9 O; E, N

9 k( R, ^- s1 N3 `+ }/ H ,...,x
' A- e; `) V$ K4 |& F# kN1 r6 b' i$ n! A3 C

! @8 h1 H' B- j( I$ e& G: c )
, m; _  d' k6 G5 p$ O0 F" n# GT
) e( t9 Q( A: i  V6 z* X" ^. S2 \) A 各分量的平方和,可以对x \pmb x1 A! R, q' y- x  P) B  P7 O5 X$ X, X
x2 C" h, z8 w7 f, k
x作内积,即x T x . \pmb x^T \pmb x.. q/ B. }* R! U+ {+ ~& V
x) Z6 ?. |! W0 f2 _! m4 S
x . h0 D8 L7 x8 `: h6 Y( }
T, K- Y, w+ J' l  r$ A

9 w( S* `' E' x9 Ox8 J; q# ^% n; o
x.)
0 U! F6 Z8 _# n2 e) z# P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:
, T2 b& ^5 z) m! M4 U1 }( }5 ?/ ~∂ 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( U1 L2 L, T/ @
∂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
6 E8 E6 U5 C3 U" G# [! x2 p∂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: c& j0 {# J. g+ \3 f
∂W( x8 u3 q+ @  A1 Z5 K8 {" W6 e
∂L( z' g/ b0 F- E

5 J( ?4 H! l) e0 ]8 R& V  G, g0 d" v0 s
- y4 h2 e0 O6 r( \7 \. }+ b' Y0 |
1 Y/ E1 k! P4 `, Y$ R" J
= , r4 o' N# G) |! V7 g5 X9 W- ]
∂W
' n; s0 l; o3 u. D1 {, b3 x# B4 x- m3 z
) f+ Y% T; z4 L0 G0 Y
[(XW−Y) & L1 P0 ~+ J" s' Z
T
0 ]/ w1 X9 i$ D" W8 E7 l (XW−Y)]
4 h( N6 l3 I/ }/ \2 n! B: C= 6 d# g6 k4 x2 H
∂W
& m9 N+ \- K- q' M# j. t) L/ u, c; Y9 D7 I) S
% e) d/ J! @, l$ i7 ]# U% C' D( @
[(W * a8 @  Y2 x0 |8 a6 s
T
& E7 c- Z0 C. Y3 L: L8 f, I' s) S X # T7 e0 A4 h% i; P9 z. z' V  b
T
% n2 n+ {7 e% Y% W −Y $ U& R1 F4 R; s' u1 I' ^
T  y2 q8 ?( x) x
)(XW−Y)]1 M5 h) N* D6 c! \8 R- R
= * Y  R" \- P4 x4 J" L6 O+ Z
∂W
: w4 [! F1 l. L6 w3 o
7 |- ^4 F& _. p) O. t+ V0 b3 C- \/ D8 z3 D4 k8 G$ E
(W
& S6 q8 G4 x- D6 DT, H+ m" r2 X) C: ^
X
. J: z5 N9 I2 ^% ~' t; Q; C6 D( JT4 N$ i) ^  Q+ {$ m# j
XW−W & y2 T+ e" y- F8 \
T5 b  c0 R8 m1 [0 z' @9 l- d6 o
X & ]* T" O2 @' G! @3 A
T# V: A; Q# {/ K
Y−Y
, N+ Q% A! `$ G: E$ D+ U" H; PT+ k8 ]" U( N8 q0 s9 S
XW+Y
! T( L* @( i# C* ~- zT
1 w# ~, N3 G# l9 `6 K& G/ \% p. R Y): P3 N# Y' _1 x4 t( ?8 ]9 s5 S# \
= % G+ w$ S( a1 [+ \
∂W
. }" d: @+ q5 ~
. ]# W" U2 I7 L3 k$ B+ c
- T, ]1 u1 n& A/ o8 q" v$ k1 v (W & D; F" D- _, c9 d
T
' i* s* Z; z, }! G4 R4 L X
0 T" Z5 K4 V7 L+ u- |T1 p% y( @; P5 u9 h7 u+ R
XW−2Y
2 h. W2 @8 W+ p$ s% \5 WT5 {2 _8 x# U2 f$ b( J5 \
XW+Y
  A6 i' J0 M$ N* l4 V7 f! u3 FT
2 r' j9 W. s+ m Y)(容易验证,W ) m5 l7 l$ l+ W  S
T' n" n/ X8 k$ X7 ~
X
9 S- c+ T/ I. j  z4 gT
& \7 I# C- I6 z, i Y=Y $ d. A5 m& x; f# V; {3 A6 G1 n! w
T
+ o; j' e  B9 U5 \$ o XW,因而可以将其合并)- X1 y: P$ B2 f0 W! S# {1 ~
=2X ) F6 p3 y0 c5 ~( `/ k, H, D2 C
T. L* Q* o/ w% w' E
XW−2X
. K5 D2 @5 n, x! _* h+ U' [T6 ?6 E9 R; [3 k) n9 {9 V
Y
& [! |' E. s! n! Q; {1 Y
5 S3 h# p5 }7 v) |3 y5 B. T0 f8 {" n) P- l* z+ I' P, r
. T7 ^3 W9 t1 V" R7 T; E+ z8 |
说明:$ P* n7 o7 W; Z  }" d
(1)从第3行到第4行,由于W T X T Y W^TX^TYW / Q7 G& u( a( E8 ]3 q
T) m9 b& k4 ~4 k  ^
X
2 y3 o# D# ^1 D3 K+ J& JT/ K; U, \, T, r6 i# H5 C
Y和Y T X W Y^TXWY   M5 t/ q5 a! ?1 r% |7 ^
T+ p6 t# a7 k) v) y
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。
4 B$ K: A% z) @  K9 ]) {(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)
" l" W2 r7 i9 P  R4 N( r0 M2 w7 i∂W
3 E, h1 P6 z' H
8 z) O+ Q) S+ `5 d
: H. x8 z' W2 }2 C (W 4 u6 ~, g- c& o) [  B% G3 k% E/ E  R
T
, o' E: N3 J+ ]0 e (X
2 l- r% v  E- [T
! {+ ~8 ^) |* Q7 [, `; _ 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 4 S' v" _3 c' n7 z4 @. U& O  `+ ?( G
T
3 a* s- h, ^' B9 A9 z: I XW.
2 ?, K3 J9 s, S7 w+ f+ i(3)对于一次项− 2 Y T X W -2Y^TXW−2Y
) q  G6 z3 O; K2 E3 QT! ^8 o# ?9 ]( k/ ~- @
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 9 z: ^$ P- ^1 ^! h1 }
T( f, I2 {1 U4 a4 f) N* E
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
) j7 W6 x# Q# \; yT! X1 Z; o2 u1 Q+ V) V* H& ^7 P
Y.$ l$ H$ ?$ R7 n% ?, Q/ q

3 n5 F  d# G: Q1 f7 s3 p2 K! E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 )
$ k  h4 ]' P2 U4 n令偏导数为0,得到
0 ~# o0 j* L7 A/ {- x. c/ S( HX T X W = Y T X , X^TXW=Y^TX,
7 {. t$ z3 u  z5 _, k! ~  iX / q2 @) P7 v( Y; s! A6 O
T
4 R- w3 |" ]9 |4 ~1 ]" @ XW=Y
: K( D5 G& \2 tT
4 a$ U! \$ ], B) L X,- r8 C+ Z6 n1 Q' C! {. O7 l- ]. M

. y* [2 M5 X* Y, H8 }7 j! K9 `左乘( X T X ) − 1 (X^TX)^{-1}(X 8 i, K4 f8 J9 j) W, M% W" d% r8 Y
T, {0 {0 C: v9 y
X)
$ S( ]2 W% P; t−16 [' ?, i' k  q8 ~' K$ i
(X T X X^TXX
$ G1 g5 W  g5 X  j" e" E, PT
  m" @6 T1 x) ?2 e  s X的可逆性见下方的补充说明),得到2 r) e1 a' j& H5 i$ A* I7 _+ j
W = ( X T X ) − 1 X T Y . W=(X^TX)^{-1}X^TY.
- \* x9 B- L) B9 i( R7 XW=(X 0 i0 Z2 R0 u" `6 p; z+ `6 w
T+ H' r3 u3 g( T# i/ K$ O
X) " W* o3 `% M' n* z$ Y( {4 o
−1- l" s8 ]: {$ o  X
X % ]  a% \, {& w, L) f. Y
T9 u2 M0 |1 y& R/ z. X- z
Y.( H8 ~9 f6 }! U2 O/ n* W* e6 ^

+ T( {0 P  r( ^$ M, {1 i4 j$ X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。
% z* G' I2 l- r) _1 q" y4 J* [' W; N, x; _7 H
'''# |1 A4 y& ^/ I, M% G1 J
最小二乘求出解析解, m 为多项式次数: u! r* J$ h7 M4 \$ A% t
最小二乘误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y)
1 t) ~) |8 g+ ]" x2 x0 l# K7 U" j- dataset 数据集- Y. R0 i1 k' W+ k+ g( Y# [# a
- m 多项式次数, 默认为 5$ q8 X! W2 T- \$ H9 L
''') T  j! `0 m/ h" e3 t& X, \
def fit(dataset, m = 5):
2 x/ P1 `. H6 l1 v7 M    X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
# @; R1 W& |8 @: p# R6 @& f1 }    Y = dataset[:, 1]; `+ B. |$ R' j. q" e7 y! Q# T
    return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X)), X.T), Y)
4 u3 ?* ?" _) e% z) ^4 D" Z1
; q3 H, t& M0 z* s6 [/ j6 ?28 T7 d7 ?8 r* {( N7 @, O
31 O) n. _9 [1 _* o
4, q0 Q* f( g7 z2 R/ k
5
8 Y; t8 J) r4 z3 G* x6# W& _) ^6 V/ R& m; x% Y
7
* K% D/ O& u* r, x; i! h8- g4 E  R/ E4 Q' @. y/ m) N* |: a
9& m; l9 j' i! l6 e, \9 d3 u$ p
10  W/ w) k4 r2 B+ S( u! d
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
1 s( r( r8 e1 M$ e& ]1
4 I4 ?  W5 }2 g& @6 ~* u6 \+ c* ?# [/ }
,x % H3 t% f$ Y3 K  E9 v5 b
20 I- G; G0 W! m+ B, `' N  d

. {" ~+ @* @$ l& z ,...,x 1 z: C8 a( E2 l7 S! E" ?; j
N
3 j! k8 f/ K/ h5 m+ J" f% X# Y5 O6 Q
) ! r: \; |" T+ P& `/ ~
T
$ b4 t/ w) o2 R& E/ n1 X ;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)# ^! F/ P1 }6 e: p* j
1 A( Z' V0 j' U" @
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:
1 _# v5 w9 d2 p$ ^& l* a$ z8 y) w- `! l, K9 c# n
''') M- w) `0 ^  @! B, b0 j% a2 N
绘制给定系数W的, 在数据集上的多项式函数图像
- n6 h. p# Q3 g7 s" V5 P: P- dataset 数据集/ z$ W1 K6 W8 ?  B  j; {1 Y9 m0 |
- w 通过上面四种方法求得的系数
9 Y: z1 N  J% W6 H) M- color 绘制颜色, 默认为 red4 h" D( k9 s& W1 J% @
- label 图像的标签
) _3 M5 o* F3 M6 v/ N. y, p''': z' z# P4 q4 q3 o9 i
def draw(dataset, w, color = 'red', label = ''):# e3 A3 ]% G9 v3 U
    X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
$ e# q1 H: Q" l# ~$ p    Y = np.dot(X, w)- h  s0 M$ e/ \9 u! L
# W( k6 h9 m1 S" T
    plt.plot(dataset[:, 0], Y, c = color, label = label)
  O2 N' q2 x5 W! d$ |1; v. x$ w3 X: o4 W2 ~% h% P
2
, S0 [6 I6 M' U3
+ z. w) C7 c8 ?; n) h+ d4
1 ^* q6 L9 q7 |; w' h3 N' z5) i6 W+ m- A" q" G: l
6
- f8 B9 d# N3 e! h& z7/ S9 b% B% |' C1 \7 i9 L0 C
8
% P( p4 [  n0 C' x$ d7 x' x1 j9
( @, H7 \6 ?3 r# c8 o108 V, B8 O; r6 r& H0 [
11- [$ w" G( Z, P8 f# P& J& u' S
12
( c& E& c0 j, g( P% V$ F7 o然后是主函数:7 \6 a& O# h+ V& s: o

3 O+ D  H. d4 P. M- j, ?: l% @" qif __name__ == '__main__':
+ F8 v, n- t. k0 V; t+ F# `    dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))1 p1 `, s% H7 I3 _
    # 绘制数据集散点图
" ^% l# U5 M+ t, ~    for [x, y] in dataset:1 V. O! h. |, s  ~2 Q' L5 J
        plt.scatter(x, y, color = 'red')9 v: s' E- l4 y8 E# m) Q
    # 最小二乘  z# H; a8 B! b2 R
    coef1 = fit(dataset). n# o6 c" r3 b( o) K7 p" A
    draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')
: Y! V) q! |5 F8 A/ P: `' @4 w3 s: M: f- X. g# ^" N
        # 绘制图像3 s8 D$ s4 Z# N* u
    plt.legend()/ b" a# O( _. @4 I9 z$ w. [1 B
    plt.show()3 o+ s% g, W) B  T' q
15 C+ o+ j5 _) r0 g  J
2) Y3 q9 I: I% \9 U, W
32 |1 E: H9 [! \* y* n/ O6 \
47 x# n1 a5 t2 `, A0 d7 v( K
5( M- w6 t' z* j# }5 y
65 y9 b% n' F+ {! ], f; g2 Y! s* h
7/ n4 ?4 Q7 D, E: ^
8
; n! u# G% E) G6 w2 h( X. R9
- b* C; q  e% n3 L, T- h10" W& G2 q/ b& j3 b1 p0 K
11+ t1 F% M# N4 H8 N" A4 H/ a. m
122 g* K* T, A3 b0 X9 K% h

6 A& A! f, z# {( B, c8 I* B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)。4 l3 |/ Q# k6 N- x

) _+ ^+ W2 b) C( a9 E截至这部分全部的代码,后面同名函数不再给出说明:( a7 l4 b! p+ p2 G0 o

$ i8 N& ?3 M: M' t. l! Uimport numpy as np2 V9 Z2 [4 _6 D+ W
import matplotlib.pyplot as plt
9 L/ B) z/ p8 i0 K( w& q9 W6 r. R- w  R% E( h7 K( C
'''
- G9 s. R8 M1 x返回数据集,形如[[x_1, y_1], [x_2, y_2], ..., [x_N, y_N]]
# W( p- l1 F$ r# K4 k6 z2 e2 F保证 bound[0] <= x_i < bound[1].; ?0 y2 F% P( U$ o+ J7 w
- N 数据集大小, 默认为 100& o! F& U4 g$ Z
- bound 产生数据横坐标的上下界, 应满足 bound[0] < bound[1]/ p2 l- U# n4 Y: E; Q' ~
'''
# m* v+ `2 j9 ldef get_dataset(N = 100, bound = (0, 10)):0 I5 w4 O" z% K* ~  H3 c
    l, r = bound; T; u# I4 B* s: t. E# L
    x = sorted(np.random.rand(N) * (r - l) + l)' x6 t' k  {1 k3 h* `1 H
    y = np.sin(x) + np.random.randn(N) / 5- Q6 H+ @0 q) P6 M9 Q8 D
    return np.array([x,y]).T  t7 K7 x' T" I5 r
% q$ Q4 r0 X  ^7 r
'''
* V! }$ D5 l( T" C4 s0 b0 e( m最小二乘求出解析解, m 为多项式次数' N% _' @7 |8 x: X$ _
最小二乘误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y)) [& H  F# ~$ @, u6 u5 T  t2 y9 v
- dataset 数据集
; k1 n8 f5 b2 [! N8 {# ^- m 多项式次数, 默认为 5
) ^. ]) C' g; s" j+ F'''
( [: B5 P% r8 T2 T% Y' L. Udef fit(dataset, m = 5):
' z- M' K' R. x6 `0 v: }9 ~    X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T8 A& ^) l' s0 o9 w' Q0 u
    Y = dataset[:, 1]
7 j/ L! T/ U' o/ e    return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X)), X.T), Y)
; D! n! L+ B1 f: n$ {2 X+ b0 {'''1 V4 P3 S7 D# E2 I8 B
绘制给定系数W的, 在数据集上的多项式函数图像
2 V# Q) |) f5 e5 S- G" Y8 d5 d- dataset 数据集, c" z5 {6 d6 f9 y3 P& u1 y
- w 通过上面四种方法求得的系数
+ X) G5 L0 |  l" Z4 j- color 绘制颜色, 默认为 red
- J6 F) P- ?$ r8 R7 B- c- label 图像的标签# C0 q8 Z$ O% c1 {
'''7 E! q) R" N/ ]. w1 Y& t
def draw(dataset, w, color = 'red', label = ''):1 N4 l* Y! q. N, e% |# D) N/ T
    X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
  R9 q! J2 @9 S% T  U, l    Y = np.dot(X, w)/ _: G+ w& ?0 k! C1 w

* [( s) u( `) R  v    plt.plot(dataset[:, 0], Y, c = color, label = label)1 \  |7 v. P* h( [. K
; Z5 U7 k8 Z- P: k" n0 _
if __name__ == '__main__':
0 g$ T9 u5 I0 d0 ~
7 D5 A5 @) c. O2 F0 j' i6 Q" w  B    dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
9 m  T: G/ E4 y1 N2 m8 T: E: V    # 绘制数据集散点图$ u0 S6 s7 Q6 m% w" P, G/ R8 r: g
    for [x, y] in dataset:
& w1 f( [8 x! o3 ?        plt.scatter(x, y, color = 'red')
/ w: _% ^. [: Y& ]* S  J% f. y- `8 \* x( a- o
    coef1 = fit(dataset)
) T$ L9 N' Y4 O" U) u* _    draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS'), b% D" ^, U5 v. \# {, z& P
6 P: K+ h0 _& V
    plt.legend(). H$ ~9 y1 m/ I3 D  U, \5 |* Y6 }
    plt.show()2 M* F$ _3 X8 f- i. S2 `! W, z
" C! {( U( f: x0 R2 W8 ~& K3 `) V3 `
1
& }- {" D4 h, S7 H# d' H2# L' P9 A% e0 ~1 n! J
3
+ g5 `3 H& `% i# K) z3 Z48 D5 h9 t( x- S* {6 J9 V
5; t1 [4 [) N& @7 S6 e% ^* `
6
2 E( S! |5 ~7 ?8 E' l7
6 [7 |" i; H) W. X8* [, T+ k% e. _3 C
9
/ @' T4 w& t* N* e9 a10
! d1 b1 q# E) W' Q11. \/ [3 T; I" R
12! C* R: L6 b# g
13# \/ |. g( p$ d8 @! y
14) p0 l; p$ ]* u* D
15
, P3 V+ H8 ?5 D. v. e" @16. ?# t0 ^" c2 l( C
17
6 b: Z& j! t5 z% `5 a8 O18
) S7 @3 w) L# I" w5 p, s3 `19
- t# [( }; Y! |; g! Z20# X* R- `( _7 f8 y0 G7 w& y2 F
21
4 j- ]% B( ?' x# N! V22
1 e* ]4 a! L1 n0 Y1 g% [23' ?7 |: F0 w9 X+ ]) p9 ]( T
24: P/ d4 J5 H" g+ @, P
25
# W* c6 R1 C3 A5 u26
2 o* g6 s) s. Y5 G# r% @6 C0 h; u27
' ]% U' u: V" F1 Q282 _! j  Q) L& f& U7 s6 D1 n
29
/ m0 X7 o6 P2 N; u0 l& u30( m" c  W8 Z; d
31& r, n8 B0 g; \. u: }8 Q5 B
32
: j  B4 @# w- F5 s7 O* C+ u' Y33& |6 ~2 T$ X. Q
34# r8 p! Y2 Z! {
35
5 F% n" x2 X/ F367 k- T- _9 B+ F! Z
37
9 ~+ c( e* @' ^% X: S0 w( q380 B& n# _2 v. w" P
39
1 M( _/ t9 x/ N, H  x4 j, m4 v40' e0 i& d5 y% X4 [/ }+ G
41- ~* l4 x/ n2 O/ C/ Q- c. c' u
42
7 q9 r1 [& S9 V430 j+ a+ A0 s2 U; e5 q) v$ ^+ c
44
0 l( O9 Q6 y  X# i: X1 B45, ~$ M8 J5 z5 k% S% n
466 L5 x. I7 |5 X. u0 F) f
47% A( t$ v. q8 w* c! q! b( a9 q- @
48
. L9 a  L! v9 V, c% r+ ]3 v. i' P49
; s" Y2 X/ T4 r, H50+ B/ f8 `" \1 ~/ m
补充说明
+ i# p0 V) ~# s上面有一块不太严谨:对于一个矩阵X XX而言,X T X X^TXX
2 J+ N+ e. L: W- B: ~% O+ i! K2 ~T
( [' T# N$ @" x' P3 Z3 j 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:
# B! ]+ E3 t: I: w0 E: Y(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;# M+ ?+ h* s% H  ^3 q; o: A- Q
(2)为了说明X T X X^TXX
) A) L1 P! F+ J6 R$ a! f! w5 g9 ~/ m( N  pT) ?$ n6 @% `8 e/ o2 F, G
X可逆,需要说明( X T X ) ( m + 1 ) × ( m + 1 ) (X^TX)_{(m+1)\times(m+1)}(X ( B( B/ f0 e: r+ K3 X* F
T2 N: ]5 Y3 w  p' ~1 W& Z5 T6 z
X)
. K+ C8 }/ ?1 S$ h(m+1)×(m+1)
( C3 o& \7 h1 c( f4 W: b4 C( h; r" l5 W5 w/ Y
满秩,即R ( X T X ) = m + 1 ; R(X^TX)=m+1;R(X
& l4 A: D/ E, I- F1 n! c; m& YT
' _4 ]& C$ [% B6 ?. [ X)=m+1;
- o/ W+ d# [0 g* h(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
$ M0 Z; O+ q8 W" P/ u. Z! _T- L8 D5 n$ c$ O7 k/ n+ C* m  O
)=R(X
% J4 `+ E2 L7 r. n8 `$ c7 lT% C5 q- M5 I: H
X)=R(XX
+ l. J) G8 v6 ?T
5 X: d9 ^  b2 {/ k2 g );0 f: p- S* J$ j3 ^8 l8 f4 S4 Z. k
(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.
6 F! J. M7 a/ A: E- P; h) B0 J# c
7 B! }+ F! Y5 S2 d+ x( w  L' P添加正则项(岭回归)
! Q, Y$ C6 s* L9 L5 V( X6 q- Q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:
3 ]# I4 B  G4 g  ?# C
% ]" Z. v0 ~6 U/ Nif __name__ == '__main__':
( y% q" @9 S0 L4 i$ @- c    dataset = get_dataset(bound = (-3, 3)), c+ u  B! k' d
    # 绘制数据集散点图
( t& A1 O) N8 F    for [x, y] in dataset:
& E3 X4 _/ @. l        plt.scatter(x, y, color = 'red')# g  E- b$ t+ i; s3 }+ j
    # 取前50个点进行训练
2 X( q/ M) x! ?+ p0 A& f& \    coef1 = fit(dataset[:50], m = 3)
6 l7 z: s& E  Y/ R* f& v    # 再画出整个数据集上的图像9 G! R% V9 X& h( w/ d
    draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')
; \7 d- t% L; N6 x1/ B5 v# `+ W! v1 J) L" M
25 ?  d& {- s$ l. ~+ U5 N9 c4 _- A7 z
32 \" L8 m# Y* L
44 M0 t/ M1 \3 M$ c, X
5
8 d$ d; t1 I6 S5 i* Y( }3 [' x1 I6
4 {7 }+ f5 M3 M9 q7) G# \( E, L5 N  G$ g
8
) `) Q% y3 r5 U. R9 t2 \6 c. M92 d! b: |* n/ w+ o( }. S

4 b3 j$ M$ m2 }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
7 ~( s! c' T" p: [L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) + λ ∣ ∣ W ∣ ∣ 2 2 L=(XW-Y)^T(XW-Y)+\lambda||W||_2^2
/ i) b) R6 f2 bL=(XW−Y) 0 P6 t6 j# ?5 L6 g2 o$ ~/ ]
T% i3 m+ a5 G# i' u/ T
(XW−Y)+λ∣∣W∣∣
: x5 i1 s, r( @4 s) p2 @) {2  O0 @; Y( C6 f9 K2 X
2( f, R5 Z( w! o) Q2 m: B+ w# @

$ E8 b- e6 z/ w0 C: D6 }
7 j* O8 L8 A: U# X
; j* q- C* w' x% c$ M其中∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ 2 2 ||\cdot||_2^2∣∣⋅∣∣
- d+ ^6 Q+ v, b5 T) v. }. w8 J) T2: h+ _" J& P4 e# u/ P
2
0 i/ R5 Q, Z4 ]6 [+ g- P8 M1 ?0 J7 Q0 s2 {9 k  J+ |# l7 U6 y
表示L 2 L_2L
) ^  r2 `. b, n, m# s2
9 h" h* [' v, q& ^, A+ g0 a3 B" T8 X3 t) `( O
范数的平方,在这里即W T W ; λ W^TW;\lambdaW ( j; i9 o4 r2 {
T- K8 |, }3 H, `
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
" l, i/ |6 V4 s( Z0 J25 Z: T' G: K6 z% m" X1 ^1 h
/ j9 {6 `/ s: g9 A
范数时),防止W WW内的参数过大。- ~7 g0 s* B4 B3 y. Q; X  d2 ?1 J
% _" F9 C5 s. y
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) ; D8 D( X9 p9 \3 e0 a
T
' a0 V0 W3 [! Z( C1 w7 }; \8 j8 ]8 q ;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
. o) `- q  h4 H# G6 y9 p1
2 N/ V- _% |- V# ]$ h- Z1 ]
# S2 ^. i0 ~+ d% D 范数。
* k1 Y' X1 N# a5 \2 z, |
6 e) |% b/ [# e" t# D. P  d# U  [  U4 i4 w重复上面的推导,我们可以得出解析解为5 `2 U" m/ Z6 Q$ @% z- {% n5 j
W = ( X T X + λ E m + 1 ) − 1 X T Y . W=(X^TX+\lambda E_{m+1})^{-1}X^TY." `0 ]5 f  y6 B5 i8 O6 ?8 \+ P
W=(X
. t9 K9 ~1 j; A6 |T. c2 f# h  p$ S& D! t: F
X+λE
, b/ g) Q# a  ?% f5 |: S* G' `m+1! I" Y  o2 H' Y  i* E
4 Z' _- e( D, `: w9 @1 J5 o
)
( [3 M1 s7 u  s: K, U' a' I−1( v$ u' _8 U) W! \& F6 X. r) u
X
! p) m4 a7 _& B1 GT
' ?3 y, ]: m3 z+ F# ^ Y.2 T  j8 e, O% C6 ]
( @+ V/ y1 {4 s2 O" m% N
其中E m + 1 E_{m+1}E / M  m- y- S# S0 f( m4 j4 r$ K
m+1* H6 [5 W- u/ w1 j5 b3 v0 g
1 L* O; K0 `: u, K( S
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 - [& {6 f5 o( C# B  }
T0 G: G6 H8 ]: C' Y/ i% P
X+λE
! L7 B+ e& J) A+ Z0 ym+1
/ b+ W3 M0 ]2 G# F# j% J" ]4 [8 _; O' K
)也是可逆的。" f. k6 G/ |8 W* ]" Y, `

# Y0 h& u4 i# L, B该部分代码如下。: Z: S$ |. }4 k9 d  w

2 W& p. P( }  a2 s4 D0 |'''6 ?8 N/ O/ R2 I! c
岭回归求解析解, m 为多项式次数, l 为 lambda 即正则项系数' ~8 `0 o: \, D% g7 l1 R8 x/ n
岭回归误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y) + λ(W^T)*W! v% B# ?- K& S' h& C0 w  j8 \; G
- dataset 数据集
0 @" f: w  J  q! I7 N: \- m 多项式次数, 默认为 5
& d/ y* f' j7 e5 I  C- l 正则化参数 lambda, 默认为 0.5$ s* Z  W7 N, D* W$ ]- a/ u+ w1 ]: }* f
'''
7 |5 c( t4 A) g3 g2 r5 rdef ridge_regression(dataset, m = 5, l = 0.5):, v; i. ~6 e/ N, x! n( Q/ B0 g
    X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
$ Z7 l! \: l- V9 ~: {, b2 H' P) X2 h    Y = dataset[:, 1]
. `+ s! p1 M8 D+ m6 [    return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X) + l * np.eye(m + 1)), X.T), Y)
5 s( X) P. q, D( k( @9 C: K+ m1$ r0 H9 K- A, C2 ~
23 X5 m0 H& e& s1 \% L" I: B
3& s+ S- h( ?0 z/ [1 i4 N
4
6 i  s% @  W5 O! G5
7 e5 |4 o% C9 c2 o; q8 S  r8 b% T( v6
) V+ A  J2 q: F. I7
0 K* U8 I- n  P9 Z8
1 J& F& K! \3 ?' t# {# }9/ w; u: i+ v8 o+ i" K
10
: l! l- Q# X! `113 g5 D, K' N5 B6 C
两种方法的对比如下:1 g5 q/ h) o+ {3 ~; f

. j3 m" i( ^  p- m+ E6 ?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)。
5 J$ u; z9 u* u5 c% W5 F' A# k8 Y% z# ^, J/ O2 o- N+ b
梯度下降法; w5 W! N9 X6 n- n$ H
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
# N5 f/ J( ^' r/ N2 |% T: Rx m i n = arg min ⁡ x f ( x ) x_{min}=\argmin_{x}f(x)
& q5 `+ Y$ q  g; Y, px
/ f/ K5 ?' i3 \4 R& Rmin  M7 U& ?  e5 D' Y5 t

0 F- `9 m6 q4 @" ~ = ( w' q, `% l" p& P
x: c' O( ]  N# h7 F. O9 H
argmin7 j; o; M" p$ K6 M+ \; _  a
4 X0 N7 z3 l5 `- a( X! n
f(x)% W; T$ G  r# O6 r7 ^
1 e" m8 U" L( X* Z3 `& R
梯度下降法重复如下操作:
: d0 ~( H* Y6 P5 ]5 v" Z(0)(随机)初始化x 0 ( t = 0 ) x_0(t=0)x
- n& R8 [# J6 K0
$ t- I/ A) b+ S$ i) o1 V. u
# f" D& l8 Q, t! a8 @ (t=0);
/ e# o. C7 }- _; R! X9 D(1)设f ( x ) f(x)f(x)在x t x_tx
7 p7 G7 _% U! S/ ~1 i; R5 bt! k* `3 Z" C" K$ ?6 d9 T
8 Y5 `* w7 Q% v( S9 b- G0 p3 z
处的梯度(当x xx为一维时,即导数)∇ f ( x t ) \nabla f(x_t)∇f(x
, h/ `/ K; P& M. g4 c* F: Ct( @8 p/ Y$ D1 h" ^' Y7 }4 a0 v! Y

) W, L2 t& e0 `3 Z% O );; E4 f  n1 ^; ~. q) ]! k
(2)x t + 1 = x t − η ∇ f ( x t ) x_{t+1}=x_t-\eta\nabla f(x_t)x
7 w1 Q( p; \3 p/ S" vt+16 U. L/ c! X- Y% C7 U: `
9 B# J$ r8 }0 D# b( c9 a0 S6 l
=x ' T$ e1 P% G! @* g! ]0 M, Z
t
" @; H8 h) y: Z$ A+ o3 D! J. m) N/ v* \- B
−η∇f(x 9 p# h- v( M7 o# h4 Y$ }7 F
t3 d0 N- |/ M0 H$ B9 [6 R

8 m# X9 B% s. L, r9 \* U1 c, u )
) q' T( \8 z$ S' k* f" m* t(3)若x t + 1 x_{t+1}x 8 ~1 G* [3 }# U
t+1
; t2 a# K. s3 r1 v$ x" m
. k1 ?3 {/ l+ r 与x t x_tx $ D& s9 ^% E% w( r6 b* W; ?( S
t& H3 _+ Q3 \: O$ l8 h

  D, U# ]& N/ O# k5 A. L1 a 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).9 O; P& e1 [3 ^: U9 q; v5 V; l, l& d/ ^

! H5 v9 E+ w+ h9 [5 l% P2 G$ r其中η \etaη为学习率,它决定了梯度下降的步长。+ `7 n! O9 ~8 S( `
下面是一个用梯度下降法求取y = x 2 y=x^2y=x
: S$ n  Q1 A0 {$ Y6 y3 H2
. A8 s* C1 ^1 X 的最小值点的示例程序:7 A6 n2 i" o' P# l  l. L

* A4 n! K# d" t; {' gimport numpy as np
6 A& h& g: a0 O. B" cimport matplotlib.pyplot as plt/ Z/ |( w5 z, S1 L* {
# T7 h( ]0 t! Y8 S' A/ ^
def f(x):/ P2 a4 ]$ L4 n) Z
    return x ** 2
& _% N1 h+ j6 a% ?: I: c
3 k0 s0 E% X5 A/ v# a1 k; \3 Rdef draw():1 g/ p! d3 C- y8 M/ {7 K
    x = np.linspace(-3, 3)% l0 J( Z  g  `6 s6 Q# p
    y = f(x)
5 v( g; e  G5 q/ P  n$ V    plt.plot(x, y, c = 'red')! @( t3 C' d. N8 m4 m) h- u  s8 G
& G% F* v5 E# K( P
cnt = 0
! @' M) ]. O2 L- K8 y* j$ m8 S# 初始化 x( u: x4 }# ]5 G$ F
x = np.random.rand(1) * 3) t1 i1 T0 |5 W* r: p6 h" A6 Y5 N
learning_rate = 0.05
1 F* @- Z; }% B1 v) \1 R
# v2 k4 O$ B4 j& v- t5 awhile True:
3 a, L' D5 c5 Y1 @0 j- M! K    grad = 2 * x( c' K) F( o% h; {! _& R" \( d9 }1 B
    # -----------作图用,非算法部分-----------' ]: W, a4 b; g  W2 A, b2 J
    plt.scatter(x, f(x), c = 'black')* Y, L( m1 ^  C/ [6 N
    plt.text(x + 0.3, f(x) + 0.3, str(cnt))/ q0 J% A4 [# l% K3 h/ J: @7 Z
    # -------------------------------------7 T+ s+ c% E9 Y: z5 y6 S. ]" v( V
    new_x = x - grad * learning_rate
+ _" f+ k# J/ R. v    # 判断收敛
7 J7 F/ r9 `! y* X+ H2 A% `9 z+ ^    if abs(new_x - x) < 1e-3:( ?& s8 Y+ ^0 l6 p- ?% a0 ]7 t2 S3 S
        break' ?# q- J* o4 C

. }: ], H' R" V' U9 W! G. E9 G- i    x = new_x% C- V2 F) a6 H- H
    cnt += 1
* ?* K! f' D9 q' S9 n1 ^- e) B9 q9 c
9 `3 F; L+ Q' k6 s( ?draw()
; h% C4 o% t, t2 U9 o. Qplt.show()
# Z% u# u( W& E7 ~6 M" R$ ~- u; m+ e$ s; K9 {
1
5 }( g. V, J* a2 I2
! y. _( ]4 ?3 n( `: U8 q3' ?/ E5 H. s+ m* b! r% R' Q
49 `3 S4 `7 }5 [" t# j  j4 ]
5! d' C% e5 S" v* E8 V
6+ l8 a) c) M/ l9 O( v9 h6 d
7
) o9 [/ O9 V* V7 ]8- s: i" [6 _; p3 g1 `
9
( h. E3 F9 O- P2 Z6 b* M105 a* K6 ^- Z2 m9 Z+ P+ d% H
11* i8 k' f' S+ o! r( E  C8 N
12
; @# Z2 ~: W; m" Q- W- K2 }13) G9 ^4 k* ?: U8 V  q8 P2 a
14, Z3 Q8 y' p2 B0 i) N5 x" E1 B
15
2 Y4 j' }# ~! \9 Y16
5 m3 r7 g* @! ~- C$ l  H  t2 G& o17
- ^  f8 h* J/ @: y181 h* a& k/ ~) N) X2 e; }! ^8 U2 f5 A
19. w, |3 {/ v1 X; m: T3 G
20
2 B$ i& Q) K4 r6 ]21
1 U& I$ R5 L* e1 l  ?/ H( j22  H1 O) T) \) W
23
$ k9 M+ F4 v& @4 [0 m0 ?: d240 Y- H/ F4 E! l0 }2 G7 B
257 r- k, e3 \6 l; g! q
26
7 x: ^3 E0 l. |, A0 x270 u  o! Q4 I" r* t- ~4 v- y  |9 q
28
) ~: `  u+ ~1 f& g- w5 T  M* V% G29
: c9 y9 K& n  E) R30
" V  G  }& E1 K+ D31
- B- U% |$ M1 [# m" A32/ T3 Y7 e+ ]2 O+ U
; I* a  }  ?# x. U
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。, T4 Q: @: B& O: }
4 ~& I- _5 r( n% B6 ?1 U3 ]4 v" e
在最小二乘法中,我们需要优化的函数是损失函数
9 s) K; w3 f0 r" WL = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) . L=(XW-Y)^T(XW-Y).
* U7 m. D1 p! I% S: YL=(XW−Y)
% Z5 }% d* W( aT
9 F4 y- D& b0 E+ e) [0 t* G (XW−Y).
6 ^9 {: \- n6 i/ \/ l
% E- g" s2 R2 S3 x2 `下面我们用梯度下降法求解该问题。在上面的推导中,, k, h5 e" x+ _  o# `. T( i( }! p
∂ L ∂ W = 2 X T X W − 2 X T Y ,* j' G$ i. @+ u, @
∂L∂W=2XTXW−2XTY' z9 \* R0 [$ k  H) ^7 `
∂L∂W=2XTXW−2XTY; v. c8 t  X. m) i6 j
,
2 L  v' x) V' R; ~∂W
0 c- ^/ h" X' ^# n∂L/ U2 ?- }5 \1 ?0 r0 Z: j1 `

  s* q& a: v7 L! ]* O  F1 u3 _. e =2X 3 }$ u4 b' Z% a* ?* i; X- K9 n
T* Q0 y0 F- S8 u/ `, S. H
XW−2X
/ ^$ F3 k- U' Z% B7 ZT
/ p9 F8 ^8 @! O Y) k8 q. _. {. _  ~, I4 ?( D% R" D

- L$ H# y0 R/ p9 ]: a! p) X: o9 A ,: d( ~8 u' K- q
1 B1 W/ e. [2 f# G
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:$ S/ c5 \- l  I6 I$ J
# J* R1 B0 v1 S) ?2 x. X4 j% k
'''
: d, M4 R/ C% d$ A6 d2 Z& J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2 ]# p. }1 ?$ [- u  v8 d+ |
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/ Z. n* P" C" h1 C0 Y% l
- dataset 数据集
% R7 B) P; I7 P7 D/ ~% t8 h- m 多项式次数, 默认为 3(太高会溢出, 无法收敛)
6 v" S$ H- N0 F. ?% p5 f2 y- max_iteration 最大迭代次数, 默认为 10000 ]% n( j% w" L1 x' j2 ^
- lr 梯度下降的学习率, 默认为 0.01
* V4 z8 ^1 m  A3 w'''4 l/ R/ [8 a' |: F. B$ ?
def GD(dataset, m = 3, max_iteration = 1000, lr = 0.01):% t' O9 M' q1 @0 T4 J( B
    # 初始化参数
3 e$ F+ D$ Q! s% M6 O. ^    w = np.random.rand(m + 1)
4 f3 f" y4 j( W
( i. x$ Z# ?  a7 D6 F( r7 x    N = len(dataset)
8 t7 V7 Y) M* z" A& ^$ @) ]    X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
0 I, R0 M8 n+ y7 `4 }    Y = dataset[:, 1]
9 W$ u8 S' I. h3 O$ b7 c8 q8 m/ }. ~4 t0 @6 P2 J- y
    try:9 p! q/ X/ a9 p+ Q, y
        for i in range(max_iteration):9 E4 o- _3 A% d& g
            pred_Y = np.dot(X, w)
* W7 ]7 u9 \7 q3 B! l: T            # 均方误差(省略系数2)  K2 Q4 O7 m( R/ ]4 O) k5 F7 K
            grad = np.dot(X.T, pred_Y - Y) / N, ]! z, _5 i* V* c
            w -= lr * grad
3 N7 D+ ]% C( E' W5 m, [5 v    '''4 b/ P! h! j) {
    为了能捕获这个溢出的 Warning,需要import warnings并在主程序中加上:
: S9 A+ r  ?7 W% Y! u! I, I    warnings.simplefilter('error')3 Q( W5 A7 ]! H3 b
    '''
7 ~* e9 m( r& p* l! a) R    except RuntimeWarning:
- t1 F& w: R0 s  P        print('梯度下降法溢出, 无法收敛')
: l: z0 T( R8 J3 {4 B# v' [5 [; A* n& D" a- G
    return w1 B7 W/ h8 L8 M

9 F, _9 y: U- A$ M1
7 e# m  q2 I- U5 I2
0 V& p+ X4 u. t, k3
( l! Y' V! F* v. C4
2 Y+ q" U  f1 Z& g. G5
* R+ a( d( n' k4 {  q1 `6
- J/ {' Y& s- @) o0 S76 C& U2 ?$ i2 z; B/ E( |7 F
8
! N1 ]  n" k0 ~1 w1 ~: q9
9 W+ X' V0 a* m! d10
3 n9 `1 }& f5 b) n! Q11
9 H5 X. d( y5 Y# x) o- J- R2 G+ Q12' I  m# G( H7 E3 H- c) B8 l
13- P' {& u5 Q) O7 S
14- r( l. k7 K! C2 ?" {8 P
15( c& ?& p5 ]2 N* F5 h
16
. s1 `! C! ]) {9 c  a* x/ C& o17, {, ]" M0 ?5 X3 c* J. M# }/ `2 v
18
+ Y( _, O7 N1 h. P, X$ C193 A  A/ y3 V3 k9 Y
20
; x0 j% [% U, l+ g21
/ J4 d* g3 E' S: I& |* N2 J22; w  y% ~* c: a0 Q8 r9 v" j
23; ?+ f* {# e/ `! e4 [# c$ n; j8 }
24# R2 j( Z% s; X. W
258 t' @$ s6 }! ~% ~
26
/ Y6 |, _+ m+ W7 @27
! }* M1 t- ~  p5 S6 V9 ^28
7 b4 M4 c, d3 |% A; R1 H290 B$ r3 ~5 }1 k( `
30
; R0 W$ K3 @: g+ R- \" k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:
* v, t% x; H0 a: _
( ^: B# p- i6 Y5 [/ `
( |( ^; z5 k7 x* r共轭梯度法
$ ?: h: s6 ]9 U7 X共轭梯度法(Conjugate Gradients)可以用来求解形如A x = b A\pmb x=\pmb bA
1 K5 |% t! J) m( q  z- nx6 {" r0 D# A1 ~
x=% m2 G8 [8 O' F- S
b+ {7 B  ~9 D& t' c
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(
, i! f1 K) z" D4 @x/ y4 Q: [6 M) B: Z6 P
x)= ; W3 ~; R, c2 q
2
- [  q- j% C4 N8 Q1, H# T  v1 d7 W$ T# R

5 V( T" J/ r# Z1 F, A8 K- w& j0 I, b. D4 N" q5 {
x
# d% o2 }; n9 Y! s- B* cx ) t/ O0 _* ^- l( M3 O9 F& {
T/ A) i' Z& ]  G: d1 ^
A
3 d/ ]) Q$ Q& b0 b7 @; Wx
; E- F7 m6 T3 R/ `4 kx−0 @) v$ E& Y3 w: P& S
b( `1 k) X1 g( p3 O& H0 D: I
b
" V6 W& C& R0 ~% N6 NT
4 P# _* M7 K2 Q6 w9 F- L1 e8 @
7 G- A* ^$ q& A' C. j' Nx
6 n( M' e+ ]/ \& _' L4 M5 b0 |0 K: Gx+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
) ^) T, |+ M! p9 }9 e; O6 HX T X W = Y T X , X^TXW=Y^TX,. w+ \  N0 D; e0 B; |2 I+ q
X
9 h1 W  d/ \3 T( @- D0 O& DT; {4 U  b8 }" H( q0 s" H+ s" g, {0 f
XW=Y
& X" G" K8 G! l- _6 IT& n, F: h$ p5 f
X,, Y& h6 Z3 }3 n! ^$ m
4 L/ f( X9 C0 t( R
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
2 i: l* x. r: i$ s: p, o+ F/ S(m+1)×(m+1)
8 }, S9 p  S. E2 U0 Y8 L  W* {5 _' c+ ~6 W% {: G
=X 4 m6 k, @' }& `5 b* E6 d) \. C
T
0 p4 B) |: C: V$ x X,% i7 }) l( O0 v0 [1 d
b, t0 c+ m  ~4 x5 @% Y' c/ m
b=Y 8 a4 O4 @( M0 ~8 s2 f+ q5 Q/ V. H
T+ K* o! g3 @4 A0 ~: q5 }9 @7 e; f
.若我们想加一个正则项,就变成求解
/ ?, D0 M9 s8 E2 {( {( X T X + λ E ) W = Y T X . (X^TX+\lambda E)W=Y^TX.
/ S, N% v6 u8 ~. C(X
* p3 c4 {% v0 h5 W9 `  d3 ZT
$ z5 ?$ d1 q9 K8 Y X+λE)W=Y : Q# K, S6 |6 V: I" k2 i6 m
T
2 |; R, H6 w5 E) |& o# D! V X.
+ s/ V8 |( x- d7 d, a7 S
1 w- D4 j+ D. d( t) e4 N首先说明一点:X T X X^TXX % C( P5 @0 d! O- r, x
T9 y. k  d: Y) 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: Z) V; Y& D7 A1 aT
2 e- g# D& i6 c+ _: y 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。2 I1 T% f% A7 B4 @- ]3 X
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):* y& y- N6 d1 M# D& G/ M
- A2 x, N) |) I6 G# D' A
(0)初始化x ( 0 ) ; x_{(0)};x
+ G3 N- w$ v/ ^1 `+ |  }(0)( m  I6 L8 v0 {5 D+ Y

8 f4 R8 q" I( w" G1 O6 \& z ;
& i5 ^$ Y0 q3 Z3 s& m0 m3 B(1)初始化d ( 0 ) = r ( 0 ) = b − A x ( 0 ) ; d_{(0)}=r_{(0)}=b-Ax_{(0)};d " M4 v4 N9 w6 X3 l' z1 O/ A# }9 a
(0)& Y# P8 j  W. Y; \; @: H8 Q

6 b; n" G% O0 ^ =r / c! a9 T* {* S8 t5 y
(0)5 ?' k' L: r- x1 q+ w4 C
% ?/ K! t/ M+ i' m" B& c: Q& j0 A& `% L
=b−Ax , Z1 x9 S) r, B/ Y2 C) m0 k: y& p
(0); ^0 R, t! G0 @- a3 P
2 w& ?# O% |  D. ^
;
( k% Z; f, W3 J(2)令( h% ^2 r9 h- m- [" _
α ( i ) = r ( i ) T r ( i ) d ( i ) T A d ( i ) ; \alpha_{(i)}=\frac{r_{(i)}^Tr_{(i)}}{d_{(i)}^TAd_{(i)}};+ t+ I" Q# I% ]* ^
α
, @* q) m# h' v' r* |/ W2 c(i)) n' m; f6 e2 O$ ?. n
8 X5 X- A. A6 H
=
" G5 J& a' y6 [9 w: Yd
: O: m5 F, p7 Y6 V8 ?. S(i)2 o$ @5 o/ T# l0 X
T
7 @- q& x" e+ x9 g/ Z) q% \: J
. P; ]& `) n" M* S2 Q, b Ad
. ]' }; A' d: P8 Z: ^(i)& I  N( b: D0 M+ h. v1 `; t
! ]0 z5 h6 B: K  o7 ]
3 j) k5 k% [1 w1 Y5 e% h7 S" d4 @
r 3 r! M0 b9 A% N' J
(i)
% D. w+ X+ G  {) c+ iT
* `( v, s/ b5 H: \2 ?( s6 ~! m' \( O
r % w- D# x/ z2 a- B3 `
(i)2 s  h7 B5 l! e& U/ w# k( \

/ j' v: P/ _( h( x  j' l# R
( p* L6 E( F, |+ w9 Z0 L
" a, J+ V' z  a ;
0 G2 B5 V3 L; \6 G) {( u$ G
, T. ~* R+ W, W, j' k* k(3)迭代x ( i + 1 ) = x ( i ) + α ( i ) d ( i ) ; x_{(i+1)}=x_{(i)}+\alpha_{(i)}d_{(i)};x
; ?6 h4 p$ h. I$ q(i+1)
* V! f) J- i0 n* K: U# D- F. K  \* y$ u
=x
8 ~- k* X/ V( P2 P(i)
' q0 Q7 m0 _5 {: n! b4 ?4 M' i9 J- C# c1 ?6 F
2 P" {" d6 ^. _. _5 e
(i)
) _+ h" D0 e# L+ c3 t9 @2 y2 U; \  ]. o5 V( ?$ E5 `8 x5 R
d 6 `( s" ?* ~9 @9 F
(i)
8 z2 f, M) @8 W* u  i; q8 m* s, H, \) J
;
: c, U; n9 z. f1 ^8 @( m, Z  o(4)令r ( i + 1 ) = r ( i ) − α ( i ) A d ( i ) ; r_{(i+1)}=r_{(i)}-\alpha_{(i)}Ad_{(i)};r
8 K# s$ a+ o- g* @) H5 `' X(i+1)+ o# `' [+ `0 Z& H  g/ J
  H. {0 n3 \9 p$ W
=r ' J& L0 a7 n) D) s9 J
(i)
$ F' e! G0 E% p& C; ~
& z7 ~! B6 h. V5 Y3 b& Y −α ; _7 P- K  h! T; g
(i)
! x/ x1 z4 B9 ^; w- s: U7 G7 O' N
  x) V( P7 \% v* W1 }5 ` Ad
  ?0 Y  p( g2 t" W# H5 R(i)! D2 a8 V' L- ^) k; p- G+ s4 b

# C) ]2 n2 J/ R, o  @. o ;1 u/ s  Z+ ]+ _
(5)令
- J+ S; L" Q' H- a" V8 j, B9 a4 Kβ ( 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)}.
- B% q7 [6 V1 c2 uβ
- @# `0 A; }; K) P3 g. {(i+1)
# S& ^8 }# q1 u/ D$ L( _& }+ E
* L) R; g; [0 i' ~3 w =
# v8 S- _/ H2 t* D1 I# Yr
1 b( Q, p# E5 o7 S' f( R(i)
8 S/ a9 k2 n( J9 P  B9 vT
( J* g+ S/ M( [0 E# a7 ?: ]# U+ c% I0 H2 Z! ~5 [
r
/ ^; i5 ]2 S& [& ~1 L) G(i)8 N9 K3 ?. V4 E1 c
$ i! X4 O" }( S

1 n* G8 W. Y4 Y9 X$ r: K( ^$ Fr
3 E, h( y% d, d8 N- w(i+1)2 R/ a9 Y# V" Z) f1 h! v
T
' b8 ~9 T" {8 A0 W
6 N0 K8 D6 j6 v! f$ E" j r
& r/ Z# k5 Q% z4 o  E( X5 x(i+1)
9 d& I7 Z* V" p8 E5 a
6 \$ s+ o4 j4 p2 T- G- s; O2 D, P) W2 i: S2 t4 Q7 \/ G7 F, T

6 ]1 z: o6 {  f0 E2 o ,d ) k" A9 t, N* T$ b& u' V$ q
(i+1)" B6 _3 }% A" f0 u: P6 k! l* Y

. B" p: N& T# n! d9 e0 ? =r + \1 K* [' r  U4 @& T# C, V" s9 F* [
(i+1)
- _; ~2 o* _, ^0 U7 b* w' a8 y, _+ w) m  q4 S- Z
+ \9 O5 F, R% |5 S; d% T9 K
(i+1)
) v% ]2 r" F1 A# w1 |
/ @6 R' V, k- s5 h9 b d ) l+ @/ x3 F  Q2 o1 g
(i)% T- L- Y: q9 K4 D9 ?9 X* l
% m# m5 i& s" ^
.8 y4 Q" A1 U- ?& t) g

3 u+ z  U1 p1 ]9 U, Y) J3 _: H(6)当∣ ∣ r ( i ) ∣ ∣ ∣ ∣ r ( 0 ) ∣ ∣ < ϵ \frac{||r_{(i)}||}{||r_{(0)}||}<\epsilon   d  F$ U# g" d" r! \
∣∣r 8 p3 t. j0 @$ P7 {( n
(0)
. X& M3 ^$ q3 I4 D* B& Q/ c5 Y8 Z$ R
∣∣4 X9 w) ~- G" l. `: V2 A
∣∣r / }- h/ }7 _* f% ]* Z$ [$ `
(i)
  l6 n; w" i% b% |) H& D" o$ S+ Q$ o- M+ B; M
∣∣
8 [) Q1 Z, j" T* j1 N7 t0 }/ g0 ^: X! I9 u' f& Y* p
<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
4 M4 S; t- g3 @- @) z−5
6 ~$ k$ }- h8 w7 W% `) Q .
1 _' B2 Q& O$ k8 Q, u" u: L下面我们按照这个过程实现代码:
* e0 h9 d9 B/ v
; t' a5 ^1 w* X; D! h- d2 A# _'''4 [& Z6 h. E$ N0 d' ~2 x5 z
共轭梯度法(Conjugate Gradients, CG)求优化解, m 为多项式次数' [, l: g8 X4 [. K! P( k( j
- dataset 数据集
8 @: G" Y. w/ e- m 多项式次数, 默认为 58 p) d, q2 K- d- y9 u+ \1 s: V- q
- regularize 正则化参数, 若为 0 则不进行正则化
9 u) w& ~" ?4 g# Y'''
# O5 p  S8 @0 ]( g  h- ?( U8 Y# [  V6 hdef CG(dataset, m = 5, regularize = 0):
# c2 u8 L6 ^5 F& G) E    X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
& L( G  J- e) z. Y, G$ A    A = np.dot(X.T, X) + regularize * np.eye(m + 1)
. t" X: Y4 @! {1 M. [0 M# N9 {8 ^/ o    assert np.all(np.linalg.eigvals(A) > 0), '矩阵不满足正定!'6 j8 O2 l  r6 [
    b = np.dot(X.T, dataset[:, 1])* h9 w2 \# T2 {0 \8 F% y: d
    w = np.random.rand(m + 1)
* R* _& q  c, a8 r- p    epsilon = 1e-5: k2 R# v# F+ t

6 N; b+ A, M+ M. ]7 w* I    # 初始化参数
# L+ R2 w# r- W    d = r = b - np.dot(A, w)
# i6 c0 P' M2 Y6 H6 a& y* F; i    r0 = r
  W3 b; z8 `; P3 u) R% A- Y9 w    while True:2 O, d5 M( c. k( p7 K7 d
        alpha = np.dot(r.T, r) / np.dot(np.dot(d, A), d)
* `$ U, H. O5 B' w# W        w += alpha * d
  f1 b0 r; I. L+ d7 z        new_r = r - alpha * np.dot(A, d)
* ]( R6 u" p+ M' a2 f9 u        beta = np.dot(new_r.T, new_r) / np.dot(r.T, r), g/ B; m+ {7 w3 l/ |6 Z
        d = beta * d + new_r) ]4 F; }, U9 |" X' x) t
        r = new_r, j2 J: n; P1 x. d) l
        # 基本收敛,停止迭代
4 `! V& Z! D+ F, z9 D- p; i9 v$ K        if np.linalg.norm(r) / np.linalg.norm(r0) < epsilon:
# Z% Q: b* |, n. I1 ?            break
% b$ Z- ?# ?, Z3 z" Y8 I0 ^) Q& x9 z    return w
! _  }: z& n, E5 s( f) [8 s  B% p1 F3 V1 I# v. |
1! i; O- n# o! F& H: _+ ~+ e
29 ?/ b+ ~0 g- f: p3 q0 I0 Y' C8 |
3+ f5 P+ d0 A5 D; c+ @2 o3 l3 X
4
; N, o9 E3 t  j4 e5, `! B& c% h( V3 `$ U/ w
6
$ u: W+ W% T; ]4 w3 b! y7
' m1 _% S  j6 u: |86 c0 @2 w7 t$ X* m8 W0 }
97 h% l4 @0 }4 d0 {% I
10
+ d! ]' U2 i+ G& q5 h11
0 w( S2 _* W  a6 r# Y  E12& O  |6 W$ C% ^# b
13- M  \6 L) R( {- Z, I& I) _
14% ?1 l( |! ^8 V5 n0 ^7 Y# f1 |
15
) ]8 e6 U1 O% h# ~2 R( m, I1 j3 m; m16
: D3 V: ]; A! i- t9 C17
6 j$ M* B6 i' P; S* e, c18
( W; U+ c) P% ^19
) B2 `9 y1 |. d( ]6 M( H20
+ R* Q$ p# k1 D/ Z( \' c% _21; |  H4 ~- L+ c& j5 l/ |! h
22
9 P2 |- p7 `4 C$ f23
4 u& u7 }+ L3 [; M3 G2 I241 F7 p9 y! f* K2 G8 s
255 p, g% n4 b# _9 ~  b
26, z, ~) L* T6 n3 D. n/ o5 M9 d% {3 N
27( {' l2 z3 T$ h- Q2 R1 e. v$ ?
28" z+ j0 K" h1 g! b# g
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:$ I. N& W5 g' o% Q$ V4 s& [
& ^2 P$ o  V1 ~
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):- o7 ^/ _7 d( }# w- t# x

4 o2 @' s2 R$ |( [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:! h$ R/ `$ l* J9 ?, P3 D' K, L- C* G
1 ]$ E3 \' E" n
' l5 f& i; }& h0 e
if __name__ == '__main__':. b# Z) |! V: E. s/ G; C7 l! C. U
    warnings.simplefilter('error')  F2 g! y! Q5 \# J; b
8 [; n* v* E, R! [3 X/ F
    dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
/ e0 Y' I, i: I5 b4 v' s1 R    # 绘制数据集散点图
- S8 S% b+ ]1 y; J, N    for [x, y] in dataset:
' h. I/ x( Z4 S        plt.scatter(x, y, color = 'red')
! n/ P1 L5 n1 M7 c0 n+ h' H* e- i  a8 g2 }# n
4 Y( f6 t; t7 V( p8 F. o. x
    # 最小二乘法
1 T( A0 m% z& \/ N' W    coef1 = fit(dataset)
! M$ D: N+ b/ K+ n, ~4 Y2 k    # 岭回归! _3 |2 e1 R7 o8 M% A4 X9 ]3 G
    coef2 = ridge_regression(dataset)
- |+ F0 @+ n4 M; O6 U    # 梯度下降法
1 {+ d% H" Z; {* _, U' c9 Y. f# O    coef3 = GD(dataset, m = 3)8 T* ?, U2 b0 R* R3 A2 A
    # 共轭梯度法8 R- `. I( u; g. C$ y2 {7 n
    coef4 = CG(dataset)) J) L2 @8 t) s) ^

! A1 Z" P0 ~, R    # 绘制出四种方法的曲线
5 n2 X- _# t( V5 L( v    draw(dataset, coef1, color = 'red', label = 'OLS')
. j# y# N9 e" E% u    draw(dataset, coef2, color = 'black', label = 'Ridge')) R0 f$ ?; S7 V! ~1 ^. H
    draw(dataset, coef3, color = 'purple', label = 'GD')0 C0 }% e# E! g0 ~; ^* n; X3 y6 o
    draw(dataset, coef4, color = 'green', label = 'CG(lambda:0)')
" I% r/ u1 u) B/ H' p7 S
& l% M* q$ _4 Z    # 绘制标签, 显示图像% `( l: j0 B+ k* l% M/ t: R5 V7 C
    plt.legend()
$ [' D" G6 b' |  v5 E: a& V    plt.show()% j" e# V! j/ t+ U6 |) p& o

; s$ p* u. j& C5 a: O7 U$ A- T- r————————————————8 N# D" k( }0 w# j6 Z+ d, C' t
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) c6 c' c1 ?8 n& @5 }% n4 ~原文链接:https://blog.csdn.net/wyn1564464568/article/details/1268190624 b8 v; z- M, l/ J- K: S8 K* b

5 g! q3 }+ @4 f, C# ?  L+ c/ W* v9 b( i# S. B# F





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