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
# @2 F I2 G+ h3 U6 R5 W1 + N5 H, {. x( w: l% e1 * v* e9 d6 I. I( W⋮ m8 `; w! \ ^; \
1 + X* L: J+ Y+ G& G" L, X$ ^2 i2 _' j# L4 u. D
8 L R3 g6 a, A5 v1 J
x ) \% ~ J9 P6 D1 S, i16 G7 o( h# f! k* s
4 U/ t: a5 X+ V6 F+ d6 P9 |2 K
; d* V% p$ u: e8 ^8 V$ Y
x ! }: e# p) x' Q7 H
2 $ c$ K& k2 `! a7 t7 S9 `& [7 \; z: h
. a' V, l8 r- S6 Xx $ B* J9 E' k* YN 3 o c4 C& \2 w L& K+ t# N C+ S9 m5 Z4 i2 W6 e
- u1 q t6 Q" g: ?# @* r
7 D3 B3 o5 ^& M- ?$ h5 Z9 K5 m
2 K" E6 m, t9 \2 f' }x / u4 c, ?# Y5 g% c: G
1, R% D7 ?( e- ^; I9 X/ A: {6 f
2& Y. R6 [6 R A' E) X7 j2 [
4 N: M8 H7 R4 e
, K% n2 |; S8 v% l3 A% ^1 q, o1 I
x ; m& u5 u& d( Y2 % {# @+ L$ k( X4 L3 s2 I( a2% b, D/ w F+ k! k. V
) u/ I) ]6 `& k7 d5 O6 ?; w' B& y, s
x 2 _- z$ i9 ^4 j
N4 |$ N9 v9 X3 z9 a/ Z" O8 u
2 , l# J, p! D- X- N! o5 S2 j# j' ?
4 v2 ]/ s% l) S- B1 J
6 @& _; m2 E8 ?) c* |- S2 `1 m7 }! o' q2 t4 J
⋯ F8 `. k0 l2 ~0 J, T
⋯ 7 r. y- v2 g' {$ U& c8 o$ Z⋯ 5 z' _+ @7 `5 x5 c$ I/ l& L7 Q" t' K' U' i6 J/ F" g" `
' x5 J0 b2 I; G& N
x 2 f3 z5 F, a; R, h
1 . t* z# t% K' n0 l" a) rm. Y! u) h2 z/ x. o* o0 d
3 b& o, x% H9 A2 t. D
9 i1 Z, H$ W" W
x , X$ z8 C, R# z) P, M2 7 M2 N/ N+ G! t, v- Um# p, }/ a- J( S; x& F
' t1 X& F* x' M! B/ Z/ R; ~" X/ D( N( \4 t( K
⋮ " }4 P2 T+ C) @x S% |2 W6 F# y$ P9 r0 b! _
N. E( b6 W# P. h) c1 o* M1 b( h& }- ]
m( [# M. u1 \* x; p4 f: @8 r
$ d) Z3 |) Z* B% I: W6 K' v ) A1 i, C% a. I7 q2 l4 K 6 a1 t# K4 g: @" w8 a5 B6 L3 I Z3 ~5 @. @1 |3 q( f
⎠ ( {& r( C. m- I. O⎞3 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
: q, x' a, _, |2 z+ n$ j
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
⋮ ( _; \: h8 J* ]# r2 jy 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
! @, s. J* m- y4 p! Z ; [& ]% r: Z2 e. N) d⎠8 c1 z: }7 E! |0 L- v) H- O
⎞ 7 g- [- X0 n# e' X+ e& g2 I " M3 u- n# \; w6 X8 E" s$ e: I 3 v0 q; Z1 J$ l1 w; Z9 F4 ?+ X& tN×1 + n* N3 X3 v2 U8 D: W& \: h* {7 o9 S$ \6 U
,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
1 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% @
N ! 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