0 S+ r% v+ X4 D$ Z因此,损失函数3 x7 y# N' e* K r( g! n8 [8 f" q
L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) . L=(XW-Y)^T(XW-Y).+ |/ T {' g+ @# ]
L=(XW−Y) 9 B3 Z- U u t( W+ \! @T % }& W' {8 f4 c2 [$ l* c' S% ` (XW−Y).- K0 ?" j( n. }9 O, l
0 O* n1 l6 o2 D( w6 q, b2 D
(为了求得向量x = ( x 1 , x 2 , . . . , x N ) T \pmb x=(x_1,x_2,...,x_N)^T3 Z" D p, t8 _: r8 Z' R+ ]
x 0 V. W; \* i, v1 i! N+ ~x=(x 7 y0 l. L) r0 g$ I2 H$ ~" }" Z* Z1 X8 X5 j, j$ y5 G# q" {" ?+ p" `
,x 7 q. v# T0 Z" p5 X
2 8 l% q! z+ g) d% o# O7 N7 k7 K) ]3 k# P4 j6 F
,...,x " R1 f! [7 G& h t- C7 e0 }: i3 AN) ~) Q7 H! {& ~% |3 C7 G$ w
! m7 f. t6 z& W# q/ \
) % V- M; g; \$ y- d8 x3 X
T) E* u+ U0 V1 F- M8 |8 Z
各分量的平方和,可以对x \pmb x7 _5 r D& T: m$ Y3 J2 A/ R) e7 F" w* @
x ) V$ {' C3 L% J% ^! F. o9 Rx作内积,即x T x . \pmb x^T \pmb x.$ K4 c9 V" C- _/ o- h
x( _! M( o. I8 T/ K6 x. U+ I$ `+ F7 z
x ( p+ W9 B s/ k# T0 NT! |9 h0 c0 x/ n
- x( Q8 H- s. x0 @
x $ H: ~4 d8 I$ `x.) 5 Z" V% a' m& }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: , ~( c+ e; E/ V* A/ A3 C) z9 S∂ 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 + e \7 |$ k9 Y- j: z6 d∂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 , u) \4 @ k- ^8 f∂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−2XTY6 m/ R8 ~4 n5 S+ ]' }% I& B
∂W: p: L7 `. \0 Y5 Z
∂L 9 h2 ?. s* H0 B5 n7 { - {0 \0 L8 [' } " c% Q: M1 S/ h/ ~2 z$ w% M( X* O' v k
! v; s# M5 H& G: n+ s= 1 P- x; c' |# U
∂W 3 d+ l# x+ Z- d5 m. T9 Z1 D∂ 7 M. @ f, Z1 ~5 g; s! T) c3 F! X$ }. ` h' _
[(XW−Y) ; C$ \5 r0 L, w" E6 Z5 t w
T 6 P) `1 q3 d3 c2 h' j# d (XW−Y)] " V- Y' o6 ^6 Q' |/ U= $ l( r, j/ `3 {( h0 v$ Q K( V∂W+ Q: {8 I2 v- I6 D( M+ D
∂ 8 b% z" {* L% J. H# R6 i5 M; D+ ]/ K0 J) u0 `8 n
[(W ) f) y' y$ K2 D
T 2 E$ y% L% i) d3 w" n X 9 G e& b% D: a r; n8 ?, E7 d* B7 NT. C3 _4 j4 \, n% N \3 H7 m
−Y 7 L# H7 t: ]7 d3 s) UT # Q3 h& m$ Z3 V/ s! O+ O# u )(XW−Y)]1 S$ T) l+ \# v+ u5 `$ J
= + D4 d8 C/ ], B% I5 i2 `7 ?∂W # a1 V3 K7 S5 n4 F∂* T# Z, d3 L2 h1 w% r' w# M0 e- }3 p
5 F/ S' R4 }2 Y7 @0 `, G
(W ( }% N3 c% k0 ^* b5 W
T3 l5 F' `! e: u* R& r
X 0 z! D5 [: `$ N, A8 Q( pT& p9 z: g# W; p) m! g) [" |* e
XW−W 8 L2 S5 v4 V1 X7 h5 I4 I
T2 J* N. p, s! Q W2 H* b' \
X * t$ N6 v2 E: F4 {
T 7 K/ ?% f& |) o0 @3 d Y−Y 7 K4 N1 F9 Y- E: ]- `* vT0 p/ o! D5 R% F6 y1 Z
XW+Y 7 H% v" S0 V& ~2 D' t& ET, V2 r5 |" v, F3 f" D" H. Q5 O: o
Y)6 V, R! e8 E+ a1 I
= ( |8 X8 P; {! t∂W# H1 d6 |8 R& v }5 |, d
∂' p. e) Z) t u. V- B7 G
: r% g5 }2 o$ R% E2 ^1 M (W " b6 w. I' z# S p* q' u
T6 {0 t$ B) Q; _7 \8 b
X ( k p+ L; l% C5 H5 F. mT; J. z- r+ M I: I* k1 s
XW−2Y : K$ F5 @ l) ?5 a7 t; s" ^" x
T; g; {' h7 C! t
XW+Y " x7 X$ w% c1 r% z
T ( }" H( s: J9 |! {+ W% u. O- f F( i6 Q | Y)(容易验证,W + s& N/ L/ X# {- g: T1 U& d: bT : C- ^: S% t+ Y' V& G# N$ u. [7 _$ ^# o X 5 q2 t/ e' G, d( ]T 8 C) L& i+ L1 B4 Y I s6 s Y=Y $ T3 t8 [ U1 }; W9 P: p5 {6 k4 g0 aT* G0 r2 ^5 c4 K: }/ |8 l" l! b
XW,因而可以将其合并)( h0 r$ W1 K, K; U. j. D+ O
=2X % R5 ]; H& z T5 }4 k: mT 8 s3 m* W' I+ }- ` XW−2X 7 \/ Q8 d, t$ r+ H9 [6 t
T ) g; y1 h* ~7 }0 k% D4 G Y6 d4 Y- M9 T9 e4 T/ |9 L0 m
$ O. q/ g& _% h+ h1 G% W5 G) T4 ]" O: P' G1 m: `" p
, B% S3 E' D/ t6 u! s8 D说明:: q# |) R; R; e$ j0 e* X! o. j, x8 ]
(1)从第3行到第4行,由于W T X T Y W^TX^TYW ( \3 J( C m2 @+ T1 @# u8 w. nT- v" I' v0 M3 O) s
X 8 L; E: n# `/ [( T" T9 S. y
T * C% \9 H/ _) }) H) U: H6 `4 F Y和Y T X W Y^TXWY ; Y# v: R, l6 x3 `( ST 8 I0 X. `2 e; W0 Q5 [ 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。 $ l& S0 a. b$ u2 e! }6 O(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) " y4 a: g* u0 k6 {
∂W 3 K& X' m& I! g' q4 m! a∂, U' v( z' {& q& t7 M5 F* ]
; ~) W. p/ ^& X8 | c
(W ' U. }) k @+ b8 }T: Q b! L0 g2 v$ C% v) a
(X 9 [1 ~! I* A! k' S" n
T ( R5 \" J& y% ~/ {* Z 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 5 k3 F- M* a0 {- B& F* n T0 k% u$ t! c
T/ h* H7 ^/ v |" r; ~' @
XW." ^! ^/ i7 }( N
(3)对于一次项− 2 Y T X W -2Y^TXW−2Y 3 m- x! P- v2 B5 J% }- x) mT# C- A" n$ Y# N/ q8 C
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 7 i1 H3 w" x q7 I7 M
T/ k% G y# D9 v4 u. U. f: X0 x0 n
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 - l) y0 W! y1 h1 _& S( R' m5 y
T/ b1 d2 Q1 _6 U& J& k' b- q+ J6 ^# L
Y.1 M% q M0 q8 z# i( P( J' a! A
* a4 \7 S" N( K$ K3 P; @
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 ) 3 H- H1 q& C4 ~4 Q* T7 {; V5 c令偏导数为0,得到 , [- l# ^+ F t4 Y. fX T X W = Y T X , X^TXW=Y^TX,6 j) m' k; s9 r2 l' e9 E
X : c+ S& ~& b- O/ Z! Y
T ; J5 F3 L9 ]6 n4 M5 g4 m XW=Y 7 Q. z( g m AT& T( O2 P% _1 U% p. f/ ]' G# G
X,& D: |" ~$ O) J( c8 K6 }
2 E& C* h7 n5 A7 N+ c! a+ B左乘( X T X ) − 1 (X^TX)^{-1}(X * ~3 t. r8 e+ yT * p5 H* G! p) {& G X) # s: k+ K' d O9 k) I* k3 ]−1 6 I6 c$ p, w a! Q x2 o (X T X X^TXX # U( u4 \, N, g% U8 F* aT- m Q g% s4 H5 ]" Y8 R
X的可逆性见下方的补充说明),得到: U2 p9 o }7 [
W = ( X T X ) − 1 X T Y . W=(X^TX)^{-1}X^TY.+ S. a* G8 u8 J$ j, E
W=(X 8 |4 z; s: D1 D \% d. ^ S+ pT 9 d9 B3 e9 z6 \" C0 { X) , y& d# E* ], \! \: `−1 ) b, y4 `: ?4 @! i X 6 s$ M9 q w- fT, v; V1 g4 }# A% l9 ]0 t8 ^
Y.+ Z( V9 Z+ K2 F. V/ J7 K
/ y; p; t( Q& X' T
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。# x# K' I/ ^1 |
+ M* s7 s& e( c. B
'''/ m6 d* @1 ~5 Z
最小二乘求出解析解, m 为多项式次数 0 l& I3 C1 O/ L7 M- n( u' G9 r最小二乘误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y) / }4 r# y# E3 ^: x& O2 H- dataset 数据集 6 t# W2 j6 }$ w1 a3 b- m 多项式次数, 默认为 5 ' B) W3 d) I3 w. O/ l" ~- o i l" q''' / B" c# [. I* n. J5 kdef fit(dataset, m = 5):! P9 B; {7 ~/ x9 z- {- M: s
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T + N4 g6 q: L& m, x7 z Y = dataset[:, 1]9 }8 ?! B' h1 R* K
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X)), X.T), Y)& x9 M# W- \; ^% @
1$ @- i% l+ E* R, b- X
2 6 [! Z" p$ N1 k- I' O& c$ k( Y+ l3: `2 y, N* y) {2 }, b1 Y7 n2 O
4 + T( Y5 q1 E! X: o3 v5 d8 K59 S. f( Y; e* @( ^5 S9 j
6) V& h& F3 }: s0 ?8 `
7* E2 e4 v' U1 K3 ?3 E4 j9 _3 g
8# Y& R5 `& f% G' Z* e# k/ C. g
9 3 k: R% L0 D6 |# m& H, J10( W4 i/ V& y- @, q+ v
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 ; P( U; H9 v7 g, T) O6 I
16 l$ E. |( ?( ]4 s2 w1 I7 p
' n1 q1 {3 Z7 x. f6 c4 P
,x " J- o& y1 G" H" B$ T1 u, |1 o
2 ) Y0 J6 N( K8 G p5 f, y1 B/ v4 M
,...,x $ u! U# n0 R: h3 yN $ \$ ?' O+ ~6 J! o7 E8 s8 Q% e4 }1 E/ r
) 8 |$ u9 P! l, F! s/ FT- a1 z9 ^5 k- j9 O5 A2 g+ F7 _4 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)( |( @. f2 G. s4 O
$ A9 {8 Z& y, _' K8 {3 h( `, H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:+ m" W2 f$ B4 y/ m! y T; D
- A `1 h! q7 w* w: i. p& l: P' G
''' ! b9 V, ]; s& |2 v绘制给定系数W的, 在数据集上的多项式函数图像 # C$ z, q, @, @4 W: E- dataset 数据集2 b$ L* v5 S( n
- w 通过上面四种方法求得的系数' u* s4 `( f4 Q0 Q: F G s
- color 绘制颜色, 默认为 red - t. n0 I5 f2 ]3 B, H, D- d2 f- label 图像的标签 5 c% T% s7 Z( M'''% f+ e2 }5 a: A v3 K1 ?
def draw(dataset, w, color = 'red', label = ''): . t* c9 O; J* M5 Z5 j# c X X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T ?3 P6 Y: W& A; { Y = np.dot(X, w)$ m" }$ L+ k5 ], t- k) H8 h
# v" t' u& j; }$ e# b6 v+ W# {
plt.plot(dataset[:, 0], Y, c = color, label = label)0 [! _% {7 l, E" s
1 8 q0 `' s+ o; e9 t- l4 s) Y2 0 i8 O9 N. j( f3- _+ u" U! z6 [) W) X: L0 B
4 : O9 |4 Q: c9 i6 Q3 B# f5# G7 x( o9 M) ]% m1 Y
6( I4 K: N) L+ A* h# _$ B1 T
72 p- r# p# _/ u
8 ! q, S# w- w! R* H9 + j5 \0 L. G" g# Y% P10 6 G2 _6 q# P) A4 J' d. b: p113 f f1 ?# p% S
12 % ~" o; Q" o. z* N3 w然后是主函数:( E* X$ `, R' f0 V
9 a E8 K9 m5 d( p; j, Y1 N4 Kif __name__ == '__main__': Y$ M* Q/ [& |# F+ C4 c+ w$ ^ dataset = get_dataset(bound = (-3, 3)) & V7 Q# S% _* [9 o. { # 绘制数据集散点图 ! E; k8 ?. z6 ? for [x, y] in dataset:2 a( V4 Y8 [( I/ d; n: J
plt.scatter(x, y, color = 'red') / r5 h$ d2 R6 @" Z0 x' Q- l # 最小二乘 6 A% ~; `' V5 O! M' m2 D6 | coef1 = fit(dataset) 0 Z# v' @6 p- a6 c* S" A draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS') - f7 B# Y* ?7 h5 t' }" Z ! ?: u* ], X# {6 U0 A& w # 绘制图像 1 f+ M* a+ t: W5 C plt.legend() : F2 `+ `' P J3 k/ X plt.show() 2 L2 o3 n( o0 T5 F4 n1 o- a) ^1 u7 H1* }3 z6 W: Q& K( w
29 Q( P% C5 n; X/ b0 w5 R% b! u% I9 H
3" B5 H' X% M( A8 B, r. v
4 7 l5 m6 a. z; A; ^55 @* Y, }0 U H- p7 W
6 8 {7 A6 Q/ N/ J/ `7 6 c( u- {% d. O S/ k. x5 {. h1 H8 : J4 v5 e9 N; V97 P$ m8 x+ `3 c/ b4 R; N
10 ( v! ~3 W3 A! H% k11* P4 H5 T; S. A- M5 ]. v
12 0 Q3 A# d- d3 } d& V- J0 W. C ' b, v2 P" g) ]/ r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)。 % A9 K! F* Q+ q3 } + I. I- ~- D6 a截至这部分全部的代码,后面同名函数不再给出说明: 8 H6 f! m* f( |+ n# J& _4 ^( s& F1 e! e' S4 f7 \8 J& v; X# f
import numpy as np 2 C8 A I0 h. eimport matplotlib.pyplot as plt3 L. ^4 K& K; G: O
. V, `& X5 B: c; U1 T. X" W
''' 4 V$ t; h5 k% U6 C, X+ s8 ]* w返回数据集,形如[[x_1, y_1], [x_2, y_2], ..., [x_N, y_N]]- T9 y) Q: E! S- ?% W: u; m
保证 bound[0] <= x_i < bound[1].' _, j) ~$ ]; A! f/ ]
- N 数据集大小, 默认为 100! ~* ^! Q. v9 X. y! V) A: u
- bound 产生数据横坐标的上下界, 应满足 bound[0] < bound[1]9 G4 ?$ [1 x1 a' { T
'''( A8 _$ ^. i, n+ { e; @
def get_dataset(N = 100, bound = (0, 10)):6 y! |7 X* u/ b$ K8 D+ i8 x8 W
l, r = bound ) Z9 Y( f7 E f* \0 \ x = sorted(np.random.rand(N) * (r - l) + l) 5 k: y/ e# @0 Z y = np.sin(x) + np.random.randn(N) / 5( b+ H. L6 j6 I& h: `: q
return np.array([x,y]).T u; S n2 X/ F: [( x, r* c4 c4 e
! b4 `, i" ]1 A) N$ a8 u' ^6 U''' ' K G% ]5 o0 q. h( j6 O* c3 S) R最小二乘求出解析解, m 为多项式次数 ' L: b$ B5 M3 T, N6 M$ R: _; {最小二乘误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y)+ p' y5 Y7 b2 _1 {9 {. L
- dataset 数据集- |! B4 b2 {+ R0 G
- m 多项式次数, 默认为 5' Y$ D, p! i/ x) e
'''& p4 P, B1 L- X( m3 K; X6 @7 @
def fit(dataset, m = 5):4 O, L2 s; u: B5 B) ^- ~5 L
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T6 C" ?6 c. E3 T2 U$ B& v8 I( V
Y = dataset[:, 1]1 V8 G) s6 |. {$ B
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X)), X.T), Y) 3 G" `8 h- O* n8 t& ~" o''' 4 m: D; E, ~: T. O6 S, E# M绘制给定系数W的, 在数据集上的多项式函数图像2 N/ ^$ {) N: R- n9 j
- dataset 数据集 1 i/ `6 q& ? I4 w- w 通过上面四种方法求得的系数 , t; H+ ~$ m( D# j: E9 h, t. [- color 绘制颜色, 默认为 red ' D% X0 S7 ~' }: Q' j1 ?1 d2 k* {9 [. S- label 图像的标签 7 a$ v5 W) l" q0 S5 I: l' `'''7 T8 ]7 k4 a# a0 c1 e
def draw(dataset, w, color = 'red', label = ''): p0 k2 ^& K# [9 e$ I
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T + r. } t& L# W5 s Y = np.dot(X, w), ?( x/ Q( R e* c3 `# _" M
1 H, q8 Y( Z# Z; j plt.plot(dataset[:, 0], Y, c = color, label = label) $ `0 o; Y! ]; r$ E; ]8 S7 d5 _1 a
if __name__ == '__main__':% x. o7 w0 X1 F3 B& v1 _' W1 o, g
" u6 w8 n) w5 S8 b Z9 Q8 w0 I* ?3 J dataset = get_dataset(bound = (-3, 3)) & Q5 P( w2 e( `7 y# ], O # 绘制数据集散点图 ' X3 n7 P9 E$ y) j for [x, y] in dataset: " } B* V% k, h+ v2 u plt.scatter(x, y, color = 'red') + t" X8 B* d! x6 Z. b4 ?/ X( t# Z8 J) S5 m
coef1 = fit(dataset) 9 z6 ~. p! N. N1 R+ E! f9 K draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS') 7 C" ~& [8 Y* t# J$ N9 o2 u( p1 B3 ~# ?$ p% c
plt.legend()# x {9 U4 s+ g+ n: t
plt.show() . b, _2 ~2 q- M% A: n' k$ i/ a, G( l. C$ z1 ]
1, ?8 @8 n2 k/ @ T* Y# f$ l7 ]* H4 j
25 r8 ^8 s8 n$ _: B
3& Q- U9 ^" C3 ?+ t
4+ |/ ?4 M" E, v3 ]6 S! N
5 , u3 c. Y4 w: y0 a8 E6+ z8 r/ z+ w. o0 B, o6 q
7, Y/ U* J; k4 t$ }. H% I
8 $ U, C# G" H# k( I7 Q% U$ ~% m9 0 j `! S, e7 u" `; }. }5 B10 4 A/ d' C" _8 ?/ m. Z11 0 S. u( ~8 W+ S8 L$ n12. {% m q3 `) D( m- L6 |6 H" G
13 ) t* \$ O- V) L1 u1 i- \% _14 ! c8 D% A+ i* @0 V151 L$ J/ O) x2 B
16) y+ \6 F4 L; Y9 C$ H. H0 o
17% B: s/ |9 q+ w' C5 v
18 ; d h* M) S8 Y; ?; S0 R19) J: _0 V, x: W
202 i1 n+ n3 G% ]+ A' W
21 % B+ H1 R7 S+ A/ e; ]225 ^, W1 Q! w4 @( b7 v
23 " J3 g) Z3 p& ~5 U24 - P/ T% _( G) z' y25 0 [/ g2 ]$ [2 Z. Y) p" n3 ~4 C26, ^1 P( E1 }5 w, Y+ {
27 2 g8 c1 r" J6 o6 j9 J: Q' k28, K1 K- h! E' q
29) z0 G+ h5 L- @8 q' [5 Y
30 $ I! [% d" r3 ]" l2 D3 i9 a, y. ~310 X# W) P6 @* k/ l( F5 h3 Q
32 + w4 c3 b( R0 {" ]! n7 V5 u33 7 K3 ~3 r' ?1 k) a' m; _3 R346 C, i1 s8 k3 Y: P4 h1 {
35: A% ]. `4 {7 M" d% }& h6 \) M$ b
36- d+ `/ W3 \ E; ^9 f
370 I! b2 K8 z& n+ z- ~3 l( k
38 1 I5 D+ x2 g' t1 k39; i# N6 p% k: Z* k" _$ D
40 $ U" z$ B8 @ }8 d) r41 N: F' l% T( j. D% a# _8 Y
42, K$ V8 S2 d7 I6 k; Q S( l) I
43- t _/ _- K$ s2 _$ _
44 1 A+ O! p- f. {1 }9 W+ |) `/ s) S45 # X( W# A1 p/ n$ U4 n46) D3 x5 E- U4 n! o+ G( E) x/ @* ^1 U
477 U, F5 N, r- \& [" z2 J# y! m: b/ ?
48 $ {" S a+ {( Q- E49 + |4 Z4 @* e8 F) {8 y$ _4 x50 4 I8 W0 \- Z8 o补充说明4 f5 S& S- E8 |2 G' w
上面有一块不太严谨:对于一个矩阵X XX而言,X T X X^TXX ; {9 Q! ?8 U7 E5 g& ~$ Z
T0 y) Q0 z$ @4 n8 z0 f F7 m9 p
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: . ~6 j1 {. e4 U(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. {6 M1 t7 f0 n
(2)为了说明X T X X^TXX 2 r$ B/ i7 K* b+ V) w [7 a8 u6 KT # [8 E2 N, s C. {; Q" h. s X可逆,需要说明( X T X ) ( m + 1 ) × ( m + 1 ) (X^TX)_{(m+1)\times(m+1)}(X . f Y8 l) \0 |# Z/ {6 p4 T6 S! iT5 ^; W9 q t D) P0 {
X) 4 K" O/ D+ X5 Q- Y
(m+1)×(m+1)) B4 \7 ^! Q7 t# r
+ @1 p8 c" } | G# Y6 w) X, ^
满秩,即R ( X T X ) = m + 1 ; R(X^TX)=m+1;R(X # {. U- @8 E, E) y& n1 V9 S0 x- |
T 9 o) {5 W( ^2 ^* u X)=m+1; 9 E6 z% a( \% Q4 l(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 ( _- S3 k9 S2 J* C' G& FT- `8 @7 ]# o3 @6 l- m& C
)=R(X , W# m# [) K0 z0 f c& ~* VT ! R2 R" @' q+ R G X)=R(XX 5 `; i/ V) l% q4 a: ^/ Z/ uT5 F* M$ M4 K. [# k
);7 ^- B3 m6 ~' M
(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.$ c9 e4 ^( ]" \2 g2 }
\# s% H/ r A6 C; B
添加正则项(岭回归)+ C- ` R- W6 e; B% r# [/ ?+ i# d
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: & `& J5 r. l2 u - @! @7 n6 l) c6 ?( tif __name__ == '__main__':1 _( J1 S. ^5 }( I' S G# h, J9 _& f- y
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))8 _/ ]3 ^5 I8 N& s
# 绘制数据集散点图 / r1 _8 V* M8 ?1 j for [x, y] in dataset:6 O, o! N8 l7 w+ g9 C, [( @& d; S
plt.scatter(x, y, color = 'red') 6 l' d% u5 v- H8 F8 N4 r # 取前50个点进行训练: U5 ?; J( V# j; y0 d/ H
coef1 = fit(dataset[:50], m = 3) 2 v- t+ U2 N* |) i: `, m: Z # 再画出整个数据集上的图像5 @% I; r! {& D4 a; }
draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')/ ]) D8 [! M' \7 j9 ]# o L
1 ( G ?1 B" R; E: r" _2" \% ?4 M3 r$ R0 `' n, [6 r) u
37 m0 w* R2 M5 n$ @6 B$ ?+ @* Q
4 3 y7 ]$ ?. o3 d: R9 C1 P5 + s4 R5 z5 s: F& g6 ' M% }+ b W5 s! G4 w4 k7 & n, M4 S. ?5 R% A" |, `8 I% F8 m6 O- Q& a' U; c) A. L
92 A9 b0 L, x m9 M# {
; c4 ?, e: C" F6 K+ N, f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0 D# E: _ @/ \) Y3 L
L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) + λ ∣ ∣ W ∣ ∣ 2 2 L=(XW-Y)^T(XW-Y)+\lambda||W||_2^26 r4 w- v; g% p8 ^, E/ v! x
L=(XW−Y) / w7 t2 D3 u7 ]7 ~5 K; O1 _1 ]) vT l" h, r+ E4 X! P$ o0 w; L
(XW−Y)+λ∣∣W∣∣ ) o& z4 F& q1 r* r$ e% ~0 D
2 8 Q. \4 j) [; o# {2 4 M V$ [$ Q4 [9 l3 l4 r+ d# O6 A v# A% ^0 f
' B; E: e9 v2 ]) q- Q8 f1 D/ y$ \4 l重复上面的推导,我们可以得出解析解为 7 g- Y1 U% ?( R9 w% \( \ VW = ( X T X + λ E m + 1 ) − 1 X T Y . W=(X^TX+\lambda E_{m+1})^{-1}X^TY.5 C% V4 K6 c6 Q1 q9 k7 K
W=(X 9 }1 f/ e! K! M6 B
T. c. D* ]6 n6 b) ~' l: r3 j
X+λE : b8 A0 ?# X% b
m+1 9 B$ _- P) x7 O' Q5 T! Q1 M. M x- i0 N
) 1 B* e% m) v6 F+ I* m
−1- z, i2 }5 M0 g9 {1 v$ c
X 8 Y+ g k! Q. V+ \
T" x1 X+ N; d6 [1 {% X4 P
Y.4 o, @; y6 {$ _* S( X) r
6 ?+ n: M( r9 i; P( U% E其中E m + 1 E_{m+1}E & o! G8 s5 l$ d; Y- s6 n3 Em+1 , B! Y4 j! y- k- u ; H' G- c6 t2 d2 i8 ]* g 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 2 G: c2 i8 z9 X, ~9 E; \
T ' g; L+ Q6 D/ |, [4 a X+λE 6 D, a% P7 P& ^! g& P) {
m+1 7 L% V+ H% a& R3 o* j+ S - \" }) d; C* I, u. \ )也是可逆的。 " n r) h# q" J! y4 \( Z5 D& ^5 _ ' H1 y0 w7 f% k4 h该部分代码如下。 3 C8 ~/ ^' i. T. b1 Z. K0 H1 r: s2 i6 \; C6 h2 p7 O1 _
''', `4 }8 W) A" p# Q7 D% A
岭回归求解析解, m 为多项式次数, l 为 lambda 即正则项系数 . x" y# D6 ]! [$ R/ _8 ~+ G4 W岭回归误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y) + λ(W^T)*W 4 Y; C. f" ~) o& A1 [- |8 |- dataset 数据集7 S* H6 R' {$ k2 o+ u9 T
- m 多项式次数, 默认为 59 Y3 g) C* u. A9 g* t
- l 正则化参数 lambda, 默认为 0.5+ X/ C+ j0 K4 J
'''. P0 t" M1 f6 e0 S
def ridge_regression(dataset, m = 5, l = 0.5): 3 V2 B5 I4 c+ q0 v X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T 3 S3 ~ h0 p: ~4 v Y = dataset[:, 1]2 O; x1 P% ]6 J; Z7 l p" H( C
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X) + l * np.eye(m + 1)), X.T), Y)! w) y+ N1 F+ ]' w9 m: P5 ]
18 l# R& Q; D+ M5 I$ N% ~* O2 d
2 9 P- |" X0 q' L+ J, p8 m) R/ y8 x3* d" _* @. c7 v' P( W1 g" A5 b
4# a- b9 r, u; j- u
5: {9 }: _# R5 g$ [( `
6 , H3 W/ I! p, p+ Q7) O3 m! b- N% K1 m
8' E8 i. M! |9 r& z
9 & v+ X5 V8 e# d b" _10 ( C7 Q+ k, n! ~1 z5 r& ^& ^& D11# P0 z e' c( @( E$ p
两种方法的对比如下:7 b4 h6 c/ D7 g; G/ k! l8 b
' o! K9 Y! J2 Y' {% H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)。 A' y$ o- \; y$ Y0 o4 P, p8 E
% W+ y- f# R( D( H6 S# i
梯度下降法5 Y$ k( x# [# _" }0 F" S
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1 Z- V8 y/ K. }& h
x m i n = arg min x f ( x ) x_{min}=\argmin_{x}f(x)4 t, ]8 H, H) v% `
x / E i4 j% y: `( t, _6 F
min2 {/ b) t. D+ J& z
7 N5 k' U% l9 {! A = % a' Z! R$ L& t8 j8 jx4 s2 `' G+ t9 |$ X- L
argmin: y) m q3 B2 ~. y- @7 d7 _
4 t- `9 p( {; e, q/ n+ Q/ u
f(x)' q$ ?+ k: P8 l* z% j/ W
( i" s ^0 b6 b* f梯度下降法重复如下操作: & X1 L0 \2 S/ X2 x# @3 ?1 G(0)(随机)初始化x 0 ( t = 0 ) x_0(t=0)x 4 @' N3 D# h( z# b) R0 7 _% f" P' {5 E. ]1 S% t& [( {: g! q2 X* }
(t=0); 0 S% V8 v% b' g! e* P(1)设f ( x ) f(x)f(x)在x t x_tx 6 }9 g5 Z0 P) G5 k
t) q4 G! y j/ W6 W2 T! w# z: d
: S5 f+ ]- c4 c+ g W7 {( Y* w 处的梯度(当x xx为一维时,即导数)∇ f ( x t ) \nabla f(x_t)∇f(x 2 t& h) j% j! ]) N: \t& `# Z- \1 m, S
4 s! D3 n$ ^+ t& `# j. E/ C );! ~( I* I5 C( E3 ]
(2)x t + 1 = x t − η ∇ f ( x t ) x_{t+1}=x_t-\eta\nabla f(x_t)x , v* [! {: R' Y1 Tt+1 / g5 [1 b j2 b) \1 i; |9 J : x7 {/ \6 J1 p2 Q; N- ]4 W W =x 4 O A( y% }- @( G. h5 ~) ^3 n
t 1 _# F! }) @0 ?5 y; y 8 ? Q* t+ d" `0 i y g6 X −η∇f(x % f. I) _! F3 n' u: o
t 1 p; [) l7 @% d0 D 9 m$ f! r( x' ~$ S ) $ U7 d8 S4 L$ n' Q3 ?/ d(3)若x t + 1 x_{t+1}x % Y, P' `& `, t/ xt+1 * P7 f m& x& ]$ S) x+ O- _: |( V( T! b# R. p6 X6 E* c* k4 y0 s3 c
与x t x_tx 4 E) Z' m# ]0 p9 m I0 G) p' I
t : L2 C0 b" d1 _6 r" q9 I # B* \9 H, S0 ^8 I& b z 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). 1 }8 L/ s0 b) E% s( {( Z! [3 E& d* i& h9 `
其中η \etaη为学习率,它决定了梯度下降的步长。 3 v4 r, R% _* n" ]下面是一个用梯度下降法求取y = x 2 y=x^2y=x 1 k+ a/ B% B" c6 i
29 i( _! N1 k' b, U
的最小值点的示例程序: & W* ?& n: u. p9 \1 T0 _' ~' V }' }( K4 Y
import numpy as np5 Y( o# Q3 G$ k# z4 O" t, y+ i9 t
import matplotlib.pyplot as plt 7 d( P0 w! s/ T- b0 i9 C( y7 G8 Y) b! E k, y8 j, Y( h9 R0 q# ?. _5 K
def f(x):) v ^$ z9 \9 o) Q; @; X
return x ** 2- O2 u: _4 Q$ v$ f
+ ]3 F9 w. D8 H4 Hdef draw():9 @( l/ ]6 {' w; G1 v
x = np.linspace(-3, 3) ; Z' Z! H- s d8 F y = f(x) 9 c5 W4 X U9 @: C5 O) @& \ plt.plot(x, y, c = 'red') , a( J9 v9 g# F5 ~# |0 x2 x- h5 ^5 S4 o( Y8 f4 S4 X
cnt = 0# T( \; F8 h# f3 x/ ~
# 初始化 x - `; \& `8 D$ q" `x = np.random.rand(1) * 3 7 g0 V, R1 s3 P$ r: v( flearning_rate = 0.05 f1 K0 b0 `3 S: k9 e/ v/ E
6 J. ^" s) [; fwhile True: ' z6 E8 Q, A, D; ~' T& O grad = 2 * x $ ?" P2 h* I- t; B6 P: R6 `" T # -----------作图用,非算法部分----------- $ J9 K! s& y1 n/ u' W' D" E/ W plt.scatter(x, f(x), c = 'black')* `" ^ H' l8 J' a* X
plt.text(x + 0.3, f(x) + 0.3, str(cnt)) & e6 t6 m; m) c$ X5 D( Q: X # ------------------------------------- * M2 n3 N9 f1 H0 x: X# _; j8 R new_x = x - grad * learning_rate 8 {/ U$ S' Z# g# G # 判断收敛! [5 u$ M3 ]! ^9 O
if abs(new_x - x) < 1e-3:( {! W( H* H$ \+ p, t% f
break 7 c4 K) t. y$ O2 T5 K) P3 a2 t9 J" s C
x = new_x, A9 M/ y' ?: v9 X& C
cnt += 15 |0 ]) h0 ^& y! ? k ~
4 M( ^0 L3 |$ m z U
draw()7 A& P8 t# t, Q) s; L) |& t9 \4 X8 o
plt.show(); ^6 H% u* E; { w8 E1 j$ Q' K
( _( A" S- w7 i4 H6 \( |
1 0 H2 L6 }; A2 {3 I6 A3 Z2 : m" k- n9 f S7 q" X9 y9 e+ p30 n. G# I: n7 M# e! C" r% ~( s7 [; [
45 @9 B( [; K) ?$ W/ w& l
5& w& a1 Q* _' h( |' f o" b3 W* |: V- W
6% x, }6 O4 D+ l8 c8 r; o
7 - {: |8 T6 Q6 C+ C86 r* G7 e' I) h" s) A# p% X0 q
9 " S' B3 w8 V- s3 I$ p$ {$ r10 h9 m2 F# T1 ^/ N11 + l7 Y O0 }! y, F* J7 q( V12 $ Y; g' V$ w2 v& j8 W13 2 I1 j) S Y9 V g% d' n143 K2 k! n7 x0 A& @, D
15# p2 g H7 G4 b. m {5 w' y
16! M% R9 k" ^2 o/ G
17$ ^$ G I! X: @4 n4 |( w: E
18 6 T; g9 F( L% _2 x5 G, M, o7 t19 4 L, s2 i) H! `3 R! \7 o20 $ M2 C5 ~$ Y# o( F4 P1 c21 ) [* b. u& V: ]2 R5 |' o' F* H22 d Q+ F5 h1 t) e+ a! E7 w# ~23 7 D p4 {( i. w; U8 M* [24 : J' g* T0 e2 d3 A5 a1 K25 ( }5 j8 o* W& t9 I+ ~# Z26 , v6 B6 `: f0 `1 q; U1 N; O7 @3 O27 4 v! G4 r. a$ o5 k4 Y K28 : `, t- e2 f; Z5 n! Y" H$ z298 @. s; ^, p# w9 V+ q
30 6 v5 |' T0 M% }0 c2 m31 2 N+ i |; a C# C$ u- t32# `2 g( g- @7 I. E/ f
3 r$ c0 ~$ r/ m( z' R \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 ?6 N5 q |+ W$ j( ^
% r" O$ q$ f& W R
在最小二乘法中,我们需要优化的函数是损失函数 9 v/ n$ R3 U a& S* sL = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) . L=(XW-Y)^T(XW-Y). ! i8 _6 h& m' ~- d) b+ j+ jL=(XW−Y) ' S* A. x" x4 w5 { b( o! ~
T+ j% |0 F& V( t8 e' v( \
(XW−Y).) N! {' D6 i- X1 F; Y, J
/ _/ H4 Z6 l: V
下面我们用梯度下降法求解该问题。在上面的推导中,# X6 c* v5 S0 R9 U
∂ L ∂ W = 2 X T X W − 2 X T Y , 2 e' F2 h0 T1 z3 Y+ p g∂L∂W=2XTXW−2XTY3 a" P1 c" u: I j
∂L∂W=2XTXW−2XTY ( ^' n- q5 A( J- j,. S" X0 g- j; L& d
∂W & J6 x/ @: s Y" o$ \∂L ! O: l& b7 B8 B( Z) f+ V+ C + L+ |9 {# \$ `/ D# ?0 Y$ M# k =2X 4 ]# |' S4 X/ [8 L- aT6 @0 I* y; t2 V- H9 ^
XW−2X . Q& e# C- [+ z) U) ]) E
T ! _5 r) j6 {$ Z) b( G2 W Y( v0 v4 [6 ^3 Z- V- B2 V4 J
; ]- d6 o, ?( o , 5 j( n% E8 W5 A3 K) S$ v+ J- `& O. p9 |
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:5 |# |$ r3 C6 a: O
+ h$ \! O; s0 e1 r6 Z''' V+ I: [6 K" @" T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 * t. S- P8 Z: Z, o8 e: R; I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 " m ^: X0 j, J- dataset 数据集 0 w- ~1 y5 Y0 j' k. i/ d- m 多项式次数, 默认为 3(太高会溢出, 无法收敛) ( v- e4 @6 X0 b7 g+ h- max_iteration 最大迭代次数, 默认为 1000 , ]. x7 |& k! L' T; i! c( T1 }& }- lr 梯度下降的学习率, 默认为 0.01$ ]* w9 n a) p( ], v
'''5 v0 f1 X' R3 m$ q
def GD(dataset, m = 3, max_iteration = 1000, lr = 0.01):% M( L. \0 }7 [9 d7 U" P
# 初始化参数 3 c* X' k) e1 x* H2 C+ @) X2 I& J w = np.random.rand(m + 1)+ D8 r4 E4 @+ Z( L# U
0 a' X$ l9 u) J% R* n
N = len(dataset) 5 g/ k6 u3 }& V( Z& P X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T / |. G5 K, d, s2 P) A Y = dataset[:, 1]$ Q& e' w( r& k9 J4 }
6 y% H* x. E/ h6 I' V9 k& a) n try:6 I7 K( e; A. M4 F5 y
for i in range(max_iteration):8 I9 C" ^3 b2 M8 y+ \
pred_Y = np.dot(X, w) * c' W1 n6 V8 T- k* Q" [ # 均方误差(省略系数2)* p* \3 K& `' V; r5 L
grad = np.dot(X.T, pred_Y - Y) / N . }) m9 g4 @1 y8 C; \* x( \ w -= lr * grad& t7 j0 m5 }. C7 T" j
''' - D+ @5 b& T. b/ m1 T9 }8 U 为了能捕获这个溢出的 Warning,需要import warnings并在主程序中加上: 4 n @5 g5 m! [5 }0 ?9 B. {8 h warnings.simplefilter('error') 2 t* D2 G n4 e' X# k ''', I5 Q" c8 O! Z
except RuntimeWarning: N! p9 F; K" k
print('梯度下降法溢出, 无法收敛') * t O" L5 B9 @; g5 j4 T! v- Z9 @4 O- R2 L8 v! }
return w0 t+ E9 b% b1 d
* L: a* r0 o. W0 v
1/ ^5 a4 O0 z6 R
2: w( o" Z* p7 }/ _) l
3 7 ~- c: `. t4 K& k% x# q4 , o) t S$ \; D& D& s. P) n5 8 J! W0 b0 ?9 f: B3 B6% b# Z0 R7 Y: P4 a- K
7& |, H8 A# P. r: p& \ m# p& J! @: ?
8- ~1 e* |; R1 |* @* Z% k& z
98 O: [2 L6 a" }5 Y" L3 [
10 . P. ^) O- Q, ]' f% i9 ?0 `" @11 : E3 M2 l3 a, l% y* Q12 ( v1 J$ o: r! V0 D# K5 z+ }13. y( o8 p! F, y9 T9 S. ~; C! D7 G
146 t& c: M3 I- P4 x! e3 `
15 8 D- x) D. f, m16/ n" L& W# x/ r) q9 K2 D- U# ?- q
17 1 _4 _: q/ i# s9 ?) ~9 I18 8 e" b, F# p1 T190 _0 w Q2 r/ k# O/ x
20 ; n6 X* d. w0 s% B# }1 H" Z: Y21 8 [$ t' e- v, g, Y+ Z" b22 ; ]+ r" z) S7 i% S" w- {23 0 g% }0 j3 N( P/ h9 f3 L* i8 E24 6 h- h# Q2 X! D: c9 U. D25 % ~0 m! P y" k+ x1 F267 D* f0 @* F0 k0 N( M+ [
27 0 s, V) N( q3 N28 ' k# k% s0 t: f S: K292 T; }' J* T) ?! m' V
30% D/ n, I* j7 w: Z: Y' n
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: & \! d) [6 {9 q, T + n/ c1 J* G9 v- ~6 A# z6 y3 @ + ]3 t6 b# t+ Y ]! C" F$ z共轭梯度法5 @- E6 R6 Y5 W8 l7 g4 Z- m
共轭梯度法(Conjugate Gradients)可以用来求解形如A x = b A\pmb x=\pmb bA ) Q* h/ P. x; ^x4 D# K/ c! R" [- j! v- k
x=! G; R- b L: ?
b ( P) D+ M$ e0 r# x: vb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(' Q( f; d% }& B+ o* n3 M
x J4 j0 G% R$ w: y- Y2 ?x)= 5 ^# { j+ `- W8 t, x- v2( y$ ~; F/ f, S$ \% ?
1 " x5 q! u4 S" N# @9 [, A ) N( ^9 h& l/ P& ?, I5 ? / s7 l" X4 A7 Q/ b) W# w! vx * ~% K; Y' j' A' ]9 e7 ~x 6 N C+ @8 ^; A) x6 b
T& b! J) b6 Z- T0 F3 o, p5 V3 q+ V
A - { |6 a o4 u2 r Y, T' ^x' i$ n- K6 w, `* U
x− 5 U4 T3 Z5 r& W9 z' z4 r9 N, l4 `: kb" {6 u( s) g+ H5 D, X7 R
b 8 g; y. @( Y) h5 IT + J5 r- H" e8 t$ Y 1 B* ?& C- y! [ n- e2 a0 K7 {x - ~5 V1 |1 t2 y1 P2 L, g: kx+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 $ D* u# h& D) ~5 ]X T X W = Y T X , X^TXW=Y^TX,3 P6 M7 z) m$ r, K ]# y! g
X 3 E5 p Z9 x D# f$ k/ }
T7 A5 h p/ y& r
XW=Y 2 U) _% z* q) b0 v' E3 iT& a& P M, F% W6 X
X, ! O/ H& N0 F6 p5 f1 a' y2 U3 m3 d* U+ l$ P4 s6 m9 q# K. v% ^" H
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 P0 c+ ]/ y$ _) ~2 m+ _6 v
(m+1)×(m+1) ; ~* @# M7 y3 V0 b8 n8 ? 2 r) X* y4 Q+ r2 v% U =X 4 P0 E- B0 I( y% {
T! K# i% z, j8 W
X, ' J; c; A2 {- v% Z2 ub ! M* U6 R L! A: k! w" c, S# s0 {b=Y % h9 Q+ o9 f* G8 V
T 1 j0 u% |* u$ D4 ?) c. u .若我们想加一个正则项,就变成求解; Z* p: `4 X2 p1 o5 _7 D
( X T X + λ E ) W = Y T X . (X^TX+\lambda E)W=Y^TX.2 \0 [7 p# }: i
(X ! Z, `( U f Y8 h* N; I: a
T% b( K5 A' H: m) N1 f
X+λE)W=Y - c0 l3 E" h |. oT K5 h9 f* L. Q4 M* _- Y
X. * U. U, w D! n( ]) |) ~ 3 }* o) y! _" J/ M首先说明一点:X T X X^TXX : `2 U( m3 Q$ t. ~" mT0 n+ l! W* _6 Q6 _1 i% H
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 ) J4 V& D" s9 ^3 g6 v/ R. FT7 q& x: y q4 W' W# L. ]$ b
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。 ( L; U* y5 m$ F! a( f6 v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):8 L$ u; c3 }, C+ a
# j) X- i W! O @
(0)初始化x ( 0 ) ; x_{(0)};x 0 U% z+ |. P0 t$ |- x
(0) / c2 q3 S5 w5 c' X* X ' q9 i1 r0 H6 j9 o+ p ; : x0 q( b& q' y2 C/ ?6 A* [0 X* h(1)初始化d ( 0 ) = r ( 0 ) = b − A x ( 0 ) ; d_{(0)}=r_{(0)}=b-Ax_{(0)};d ' V1 I( L# q0 j( B4 h4 M(0)) g h8 a: u; J) i1 Z3 W
* L2 b1 _, ]5 t+ i =r # ^( H$ U% W4 D9 _
(0), z) {! C& I7 @0 c
9 _& p" S; m) y: Q9 o
=b−Ax ' i: _# e6 U$ x( _(0)5 V" @6 o3 J4 M
6 A/ J, f' z# w" V4 b( @ ; \! Z9 ?% ~3 x& w" m
(2)令. v3 o6 R9 E; ]4 r
α ( i ) = r ( i ) T r ( i ) d ( i ) T A d ( i ) ; \alpha_{(i)}=\frac{r_{(i)}^Tr_{(i)}}{d_{(i)}^TAd_{(i)}}; 2 n. J" a- D1 uα 0 C3 a. e# X5 w
(i) % S, T: f: F/ i4 z - u+ {7 U4 o3 l! W) M. a" Z9 U) R = ) E5 e! Q, C- |2 k" q% Ad 5 a: [ g, O# }) Z) H(i) ; \. L( U7 T/ n$ w0 g& `5 LT . u$ P( }8 p) j ) [# H5 f- a: K; }; h W5 k Ad C8 _/ n( d, I( e(i)" r: Y- K( [; e9 k
" f+ P6 y/ H& C B' p5 K; I5 m# K
r : @* G4 r% w/ N% W(i)9 W7 i; r( _5 R' ~: v8 g
T + u! E2 z6 a7 [6 ^; M) D+ S9 c Q" m6 d) x: w6 X% `! y
r $ K7 I/ Q$ ?* A/ Y
(i)7 P9 @+ x) Q- [1 K: h( r+ p5 s. B
! c- h5 ^6 U3 O! R* k
+ d& S4 I. r4 x) [* x9 l3 _
4 ` `4 o# M8 N ;, L2 m) C# G0 m" ~% _& _
" [; @0 {1 ^, p& h6 |
(3)迭代x ( i + 1 ) = x ( i ) + α ( i ) d ( i ) ; x_{(i+1)}=x_{(i)}+\alpha_{(i)}d_{(i)};x 0 d/ V) H& F7 M* g( r
(i+1), z" r* t0 ]2 A9 t
; R1 P" U( q( I2 j: L
=x - H+ q0 `. ~; i# Y& e7 y: Z
(i) - ]0 c2 A, [! o, @; n6 t! x $ V! E! v% T* S$ |7 W" W +α 7 t& g" K+ M7 c5 Q% q" X7 D" y9 ~(i); B' E# C6 k) X6 e: K
6 \3 \% L9 s( Z% k4 G d ' t; H- T3 z" S' m4 V
(i) ! \" v q2 D7 F: L8 Y6 |6 j2 u- }
;0 A; W6 m/ J5 i
(4)令r ( i + 1 ) = r ( i ) − α ( i ) A d ( i ) ; r_{(i+1)}=r_{(i)}-\alpha_{(i)}Ad_{(i)};r 3 E! c' t4 ]5 z; ^5 u$ _) E$ e
(i+1) [8 Y* c6 M8 o! ?; L7 J& E# k! `! d# D- g* {
=r 5 C/ X7 W6 Y( _6 x/ x( k$ M" A(i)) p8 e. c( H& C% Y( Z9 O
5 H4 H0 W3 c- d5 N7 O
−α * P/ t/ F; t1 ~6 ~9 _$ X, K2 N/ ]
(i)+ w6 n& {( y2 p K0 W8 Y* `
+ w/ o$ F! k* B- x* J! `/ V0 x
Ad " {9 V( T/ i1 K+ j
(i) 3 n" L$ v; R6 t5 y5 y2 w+ G+ a7 d+ o. B1 T" R8 ~, D. o
;: g& k" r: }7 B! a8 b8 b+ p5 {
(5)令 % n8 S% `7 h, E2 K! aβ ( 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)}.0 X8 P2 Y) M: V
β 3 {( h& o) a4 l8 F2 n
(i+1)2 `/ ?$ [; d& ~3 b1 B
) U: E3 C) Y7 ~9 e+ j7 U: E# Q = % q/ k" W. {4 yr ; a8 T! b3 z9 \0 G- `' ~(i)2 H1 @$ M3 k' P% y. s) h
T " B9 H( O, G9 V $ c" o5 T+ L( O8 v' F r $ o' z6 e. ^( x) [/ x9 Y
(i) % B" ^/ {2 ^) t8 o1 j # M) Y, M, y% k( X8 w7 Z + l2 P$ _0 i1 ]$ ur 4 W( U3 u7 m+ ] ^! g
(i+1)8 X3 T# g$ w5 K/ q; i2 X
T/ H( B( X" L# X! C% G! f0 w
" }# P* L. N+ ?2 P$ e r 0 a' j$ D+ ~. L' b$ i1 _. p(i+1) ; V3 {" Z* @. Q7 N9 ^/ h. S# z/ [; b. P, p
- \2 H# w7 c( h5 g' P# ~* ` 2 G$ T. d. q0 z2 s% ?" y. v ,d % d- `$ T7 Q! @
(i+1)1 K, j& u- }1 }, u# |" u8 C
9 h! Y2 n" R1 c# V0 L
=r . p+ ]8 I' \3 l& V# k
(i+1) J* B' n2 w1 D( m* M* i9 G* L8 T& ?# N* m- C
+β & r+ L$ N% r+ d9 R9 f F
(i+1)6 U2 s5 n3 l' i* l7 e8 g- [! x
4 T/ \2 o: R- R& m d 9 k6 T. s0 g6 g(i). a( V4 I: Z- r( P7 H
0 i4 o+ Y6 ^8 K) X( g8 C5 k
.* X5 t/ ~6 i0 N. z h
. |( j+ _5 P; u+ u& ?# @, A
(6)当∣ ∣ r ( i ) ∣ ∣ ∣ ∣ r ( 0 ) ∣ ∣ < ϵ \frac{||r_{(i)}||}{||r_{(0)}||}<\epsilon 6 }" m( ~: R( `∣∣r 9 g, F$ p% ?# J: Y
(0)+ t- g( @' f9 i3 F. O7 |) l5 l4 G
8 O" m4 {* k; y0 s
∣∣- L0 ~: B( Z: O% k/ @- I4 [( n
∣∣r 0 x( u+ A" d% B! G$ `(i)0 X8 {: m Q c: y' n
% k0 _$ X8 @; {' O+ U3 O ∣∣ ; W* p. _- F; O+ d6 w2 d, l+ X# e3 @' C, N5 q9 Q" \; ~$ @. v, ?
<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 1 P2 q5 e# X4 \−5 - o& j# B) c3 J+ g- t( D; p . / G6 S* q2 m; t1 M" N) A下面我们按照这个过程实现代码:+ T. {5 c$ _9 X7 E. q
6 r* p1 v; [3 y; E* Q
'''4 f) \9 B7 t9 g# p/ _" T1 j, n& a" f
共轭梯度法(Conjugate Gradients, CG)求优化解, m 为多项式次数: |* Z& k. W% o5 g" N; l
- dataset 数据集- |9 {3 ?/ h" l1 w3 _* W
- m 多项式次数, 默认为 5. F0 A! z, W- O
- regularize 正则化参数, 若为 0 则不进行正则化 1 B/ t1 g8 F! D'''3 R' y+ a$ t3 M4 I4 s
def CG(dataset, m = 5, regularize = 0):2 F0 ~* u, l! C7 m: f
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T+ c. x, e$ V" O$ f+ `5 q$ x
A = np.dot(X.T, X) + regularize * np.eye(m + 1)6 z; U# b" v$ U! {
assert np.all(np.linalg.eigvals(A) > 0), '矩阵不满足正定!'% m5 N/ ?9 y, m8 S' }! `# @
b = np.dot(X.T, dataset[:, 1])8 U5 s* U1 d$ h* M
w = np.random.rand(m + 1) 3 n) Y2 [/ d! z( w epsilon = 1e-5 ! U6 `8 }( {1 m. H* U- p6 l' i- ?5 Y0 \4 h" f, }; M% v/ w( P
# 初始化参数 ; N1 r, y, I5 m9 f y: V- @% Q d = r = b - np.dot(A, w) 8 @9 B- ]8 _$ H9 A3 \9 B r0 = r! X8 h% i: O& w% D- ?" S3 s
while True:, \$ M( d6 K9 ^: ]! R& E, T# V1 x; d
alpha = np.dot(r.T, r) / np.dot(np.dot(d, A), d)3 |2 O/ I/ |4 u6 q }& \# n
w += alpha * d * \+ s) U# O( c$ ?1 J& Z7 u& I new_r = r - alpha * np.dot(A, d) , f) z& P, B; V2 l beta = np.dot(new_r.T, new_r) / np.dot(r.T, r) , \' y% F5 {! ?1 y B+ Z d = beta * d + new_r ' \' L. ^' u9 F+ a+ a r = new_r 5 ~: n; ]/ d+ W; q7 ^( S! Q # 基本收敛,停止迭代 & c, O0 @/ U: f1 Z6 | if np.linalg.norm(r) / np.linalg.norm(r0) < epsilon:5 g) h6 Z. p% K' y' D- c
break . t* F+ r& O: Y: x, A. H" U return w 4 R) U1 R: q% g. z- v3 Q* F$ I: M7 e* h4 H6 W! B
16 Y5 ?2 S2 W# |
2* }- ?0 R O( N @2 K
3& o; n, a, y# Y5 q0 ~& m$ S- S
4( `7 C: x! S+ A$ U- Q# s
5; l0 m' I3 e# `6 q
6! ]9 ?+ v4 k! m- `& H3 G4 T
7 / I2 Q& {& L+ D4 ~. ]6 z8 * E# w& d6 X# t9 ~" t4 s& d7 z+ t97 N" D/ S+ Z2 v9 c) }, Y2 H0 q
10 ' b% D/ q, q3 c9 ?( n11! A' O. n! X! Q, }
12 # A% O3 Y7 g$ E0 f: _) }13 ! a: i; V3 D( e$ R' h) z14 " A! ?0 |- N# K9 ?) {15( a W9 e* T! J" P( I4 N
16 6 y6 f; `7 j0 Q& G: q17" s7 i% r" K( n+ [8 x4 [
18* C$ H% S( h2 i* n/ v+ V: Y7 Q7 B
19 . u: O4 _" n1 x! O20 / |- v+ b0 U( F- o214 x5 ^6 z8 i" G; G) o
223 `" e E" v0 }5 q
23) o7 v/ X5 K9 Q) L' I: f9 W
24 , h/ K& a) u1 t2 i& R+ B) z25' a+ q$ Y. e: K3 S) @' F0 x+ R- q
26 J- X9 S% S& \' ^5 e27 ; w1 o$ V! N3 K& @28$ r# l$ T5 E1 c! X3 k8 B' x8 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: 1 D( c& f, `1 ~ @ # ` _! O% ?% g+ H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):* y9 k) q: w. X6 N, \% l
! [) C( K" {8 b* P- Z8 z; i7 p
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: % v0 K$ o+ L) [6 e( ~9 N6 |) C9 M& U$ q
: B0 g# R! ^( w
if __name__ == '__main__': " r# m* g& O, O i! ] warnings.simplefilter('error')# y( R1 d( D" c! k5 P5 ?. t
+ r# Q. J2 r7 N dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))7 h b3 Y7 r. C6 b4 Z0 H; g3 v
# 绘制数据集散点图1 E, {3 Y; [ n2 S, h' V
for [x, y] in dataset: " \! V. Q) Q7 o2 g2 k* y plt.scatter(x, y, color = 'red')) _: A7 F. H3 b$ b- f+ u
7 F6 z3 M! g1 _; x ( b7 F. G6 W8 {8 h( i+ E5 J # 最小二乘法& J+ e2 m# y( e2 g, [- T
coef1 = fit(dataset)+ y% M' x; k) z' m2 b! k- `
# 岭回归 : X$ i( a& L2 n) a coef2 = ridge_regression(dataset)* m* t% J w& @; o' N
# 梯度下降法 " e8 I; l) t" V$ | i8 r+ V coef3 = GD(dataset, m = 3)3 @2 c4 d% w) e. C3 m# l! S2 E
# 共轭梯度法3 _4 V$ M% [. b2 X; N1 }, [
coef4 = CG(dataset)# l% m! L& D; j2 c4 G* r
7 s1 g9 T6 d4 f7 I+ j0 v( {& j
# 绘制出四种方法的曲线7 g1 N% c! W& @$ w0 o( d$ ^# }
draw(dataset, coef1, color = 'red', label = 'OLS'). \& p' O, T" S7 N0 q/ x
draw(dataset, coef2, color = 'black', label = 'Ridge')4 l3 T j x5 i+ r. {: @5 A
draw(dataset, coef3, color = 'purple', label = 'GD') / X0 }' n; J0 S. L9 `; R draw(dataset, coef4, color = 'green', label = 'CG(lambda:0)') $ O# n! ?; f2 g* N 3 _) K6 V7 c S3 I: q # 绘制标签, 显示图像 % D+ E, H7 F/ F+ } plt.legend(): `0 B9 I+ j m. X0 q
plt.show() ! M2 p( F, |# N 8 i; L, }2 \4 ^0 K6 g. w P———————————————— % R4 p0 `( C( W9 M8 J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。 ) f' T# h0 D/ y: k' L, x* f原文链接:https://blog.csdn.net/wyn1564464568/article/details/126819062 x# P0 u' f: w! u% V; `- Q: r4 X9 `8 C! B* N( ~, M