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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
6 N8 B  R5 F+ `) t' _- J3 ?  _) [
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:3 f  L1 f; U+ Y

9 ]! g  `* u8 G: C1 b; Fimport numpy as np" }- d' H* }# z6 V
import matplotlib.pyplot as plt8 H0 z" g; ]* X
1
- l7 M3 u, m9 d- C; H2
. E! U6 n3 ?* V# ?! a) f1 l  X3 U+ ]本实验用到的numpy函数
! A% E( `$ w' Y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。+ @! u3 R! G8 f6 m, t. P- Q, Z9 F
9 o& p/ P0 x/ h2 Y1 c6 Y. r! A
np.array
( O! t; q- ?$ ]& k$ ^: f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
, m% Y/ S- r' \- U$ Nx
; v( }& D1 C, 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。# T! q3 ^6 `8 D9 x8 D

8 a# Q- n, i3 Y' X* L>>> x = np.array([1,2,3])7 C( y: R: c, e" V$ P3 f
>>> x
) s& P) q" z! n' ]/ earray([1, 2, 3])7 J: K$ W; J# E* {
>>> A = np.array([[2,3,4],[5,6,7]])
; K7 @1 ~$ e6 H4 Z7 e3 c' J- b>>> A
/ @6 }7 b1 u% M' earray([[2, 3, 4],
6 w: Y) F% x& V# N9 f& |- h) Z       [5, 6, 7]])# b& l4 F6 {0 ^& Z2 @3 c
>>> A.T # 转置
7 \: a3 T/ v, P; H9 w8 Zarray([[2, 5],5 {. _$ T+ Q2 r# b
       [3, 6],
2 W' D% p. E% u& g       [4, 7]])
" g8 b1 Z7 C9 N0 a+ m& e>>> A + 1* n( M, C. h3 z
array([[3, 4, 5],
6 {2 H" i/ U, j- _       [6, 7, 8]])) \& Q9 P' [" N; X1 S. g
>>> A * 2
" L2 U5 V2 O% o6 g" f) [array([[ 4,  6,  8],8 k& g+ }; o. n/ c2 ^7 z' n! [; g
       [10, 12, 14]])
& @3 M6 H- s- A, F2 Z) N0 k0 b( i9 C2 E* r( _, i/ f
18 b; I0 n* Q1 p6 _- X# n
2  w1 o* t3 d9 T: E
3+ A+ ?8 L! u8 v( i  Q' b9 `2 n
4
: @5 A7 y6 V8 W6 |$ M5- X4 X! h1 @" D8 Y' p/ B
6
. C. d" I3 y! n6 }6 u; x$ m5 Q7
4 `9 E* x+ [0 W: c2 K  @8; o; p6 ^& h( U9 P' ^3 l
9
6 D9 E" Z5 ]! [  l7 K10
" p( t' a: `  z11
8 I; N0 h/ ~! E+ T5 U" O( {- p12- B, H4 V# t9 C
13) A" A; Q2 t# i0 j% w' A2 k0 ?7 N5 m/ k
144 R# r0 m( u, z% y. r
15+ ^$ e; M- T: a, {% v2 m
169 Z. I5 D# n8 Z: ^1 K' _: D
173 C6 {, m, W( D( x% Z, Z) n
np.random: [5 H9 K( H8 F. e
np.random模块中包含几个生成随机数的函数。在本实验中用随机初始化参数(梯度下降法),给数据添加噪声。
  h" l3 F% R# X) {* [, g% r
/ N$ L0 Y+ s+ o8 R5 q$ `5 ~>>> 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6 @- K. G# x2 L0 |/ k" s( c; ]
array([[8.18713933e-01, 5.46592778e-01, 1.36380542e-01],7 A, I- ~7 Z! }0 u0 l
       [9.85514865e-01, 7.07323389e-01, 2.51858374e-04],
5 _. t! B$ {3 V/ H: i0 E1 Y       [3.14683662e-01, 4.74980699e-02, 4.39658301e-01]])# a  M" i0 O1 ]2 N" ^, y

5 b0 `/ U. f+ k, T2 h" T( @' v, P>>> np.random.rand(1) # 生成单个随机数4 f% H( M# |/ ~8 a
array([0.70944563])& C- @+ R" _. N3 C2 r- a+ \
>>> np.random.rand(5) # 长为5的一维随机数组) `! e9 _6 v! z/ G
array([0.03911319, 0.67572368, 0.98884287, 0.12501456, 0.39870096]), |4 `/ k3 o& ?9 g9 M
>>> np.random.randn(3, 3) # 同上,但每个元素服从N(0, 1)(标准正态)3 ~/ j' O# ^! h
1
  q6 T6 S8 }' M/ G+ a1 l28 U9 M% `, D9 O* O- g
3. D8 j7 F  J+ p
4
  y( w$ O' V( D. _+ F& M" y5) E" ^/ F) T% }& Y" w
6. G4 M! X1 G9 J5 {; O. D
7
$ S6 \2 [( R1 }- }8
6 o- U1 |, n- P6 Y# ?3 A, a9
5 {4 n9 n, ~* N10
9 f+ w1 d& q: w数学函数
. Y3 R; ]+ i& g' d  d6 [% l/ K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 ^: D* k! \( _1 m5 Z
( a- {' q2 _; X" o
>>> x = np.array([0, 3.1415, 3.1415 / 2]) # 0, pi, pi / 2
: L7 D" @/ ~2 S- F4 P; l: |9 s>>> np.round(np.sin(x)) # 先求sin再四舍五入: 0, 0, 1
- h" J% b0 w" c+ ~4 Zarray([0., 0., 1.])
& B1 k+ w. I" J! l1 `6 s: u* P1. k4 u9 @! }1 N4 C: T8 k" \
2
! w; P% j" G0 Z8 A8 Q& M9 x3, z8 N3 Q' S+ }( J' X. K2 |
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)。
5 T& X" P# V/ K! k6 i" z! `3 s9 Y% a5 x1 B& P+ [1 {1 I4 u, x. E5 N$ D1 S
np.dot
' r5 A$ @, a7 S# g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.
1 b, u2 E1 T/ V2 K+ ?" T
6 O9 X3 k) E: v' R" q, x, u" K>>> x = np.array([1,2,3]) # 一维数组
, y6 G/ J  Z& I$ a) P! e, }. `>>> A = np.array([[1,1,1],[2,2,2],[3,3,3]]) # 3 * 3矩阵
& q& y- y' R' J; R0 z) v>>> np.dot(x,A)7 [+ |6 O5 Z4 ^
array([14, 14, 14])
8 h$ p+ @- I# O5 u/ x4 c>>> np.dot(A,x)" ]. ^: \, D7 I0 {* L
array([ 6, 12, 18])( Z+ l+ S' [2 k) e

# s7 e- J& M2 T! p( F! K2 m>>> x_2D = np.array([[1,2,3]]) # 这是一个二维数组(1 * 3矩阵)
# d7 ~/ ?: n4 k! ~, A+ y. F>>> np.dot(x_2D, A) # 可以运算- ~' y& B2 m1 M+ M3 s
array([[14, 14, 14]])
) R( e$ Z# o, P! C>>> np.dot(A, x_2D) # 行列不匹配
3 B4 f# [4 _! k0 kTraceback (most recent call last):
, B8 m: v1 i/ N( C. @  File "<stdin>", line 1, in <module>
& c% `" m& M1 T5 `* C6 v  File "<__array_function__ internals>", line 5, in dot
9 @, E* P) O2 hValueError: shapes (3,3) and (1,3) not aligned: 3 (dim 1) != 1 (dim 0)# t& K. [5 [, f" z6 Z2 v/ o& t$ I
1
* Y$ a# t7 v, \( r- J27 \$ ~8 S) |8 F  W1 z) ~/ X6 o# l* F
3
9 A8 |) o  R& Q. o4  `% _" `' H! Q
50 P2 Q2 |- i4 D" S# s% p: N0 l
6
6 T- ]: }' w  i6 c$ Y5 c; H7( S/ y! v/ _1 j: C  V% U
8
% F4 v9 M" b0 g4 i% a0 j9
+ L% O" |6 a2 D' O8 Q107 `5 j2 c* Z; V4 M7 Y3 d
11
6 i1 n, J6 c7 A% ~% G: R4 G128 X+ d* }' c) m( _% T. ]
13$ Y0 y# `* ?$ [
14" Z% L2 f1 L: u# ]  K6 B
15* R3 ~* P2 [# Q' @
np.eye
5 \# _* |; U4 d) hnp.eye(n)返回一个n阶单位阵。# s6 T" T# P& b7 _$ v8 O" {& j: M. A" @
8 I$ M) ]9 o+ t4 L4 J
>>> A = np.eye(3)6 _2 r4 K0 v  k6 I8 X$ i
>>> A
& D  j, m4 F3 E: E7 ^- v3 m% e. A0 darray([[1., 0., 0.],  H5 P, l! H! X
       [0., 1., 0.],
( V3 |6 A3 H9 e7 X+ C6 ]$ Z       [0., 0., 1.]])
1 \8 i( k3 s3 D  g& n8 B1
: Q* m3 n; f  m8 t2
9 s  W: h7 T$ g. _, Z+ C5 Q! l3
9 }4 ?2 j! @- U4 H4
2 x/ s8 f3 ?5 L+ o* m6 _1 a5
; b1 W: g. E1 z, c% B8 n线性代数相关& B- ^) V, u! I  Q; Z+ K8 x6 ^
np.linalg是与线性代数有关的库。
" R5 X7 X$ Q/ H/ I0 l) {6 |5 l: E& W: K' X4 o' e+ r4 y
>>> A, }% Q5 ^- k' x% I4 S3 T0 q
array([[1, 0, 0],0 N" N5 P& g4 e! o  U
       [0, 2, 0],
+ y0 Z8 U' ?7 T8 [7 Z       [0, 0, 3]])* P! L$ E0 V8 @0 ?2 b; u5 E
>>> np.linalg.inv(A) # 求逆(本实验不考虑逆不存在)
. [. e1 M+ |: r; l: v& _% j' Garray([[1.        , 0.        , 0.        ],
- U+ [% I$ a& s1 j, b4 q       [0.        , 0.5       , 0.        ],' ?5 \/ H8 @3 t% E
       [0.        , 0.        , 0.33333333]])
7 |, P& t$ q  g0 `& ?>>> x = np.array([1,2,3])
  u% H. P: L8 N0 _4 y>>> np.linalg.norm(x) # 返回向量x的模长(平方求和开根号)* |! [, J* _7 e  i1 B
3.7416573867739413
0 T, e! ?8 h$ ~# }+ Y>>> np.linalg.eigvals(A) # A的特征值
! ^, H" ~3 i+ ?! F9 |. b5 _4 Sarray([1., 2., 3.])
( o% a- v, C& x1
) x# L  }( C, k2$ M0 Q9 C$ ~0 Q/ @4 X( j0 |
3
9 k  R- T' i& D43 Y1 F; z  p8 w! Z: R9 v
5  D) U5 G: g5 l/ D, @: N- o
6
% Z7 v3 I5 ~- A# t7
" G- a; ?! |  O7 W8
- U1 n% D- ]) [$ E9
) g, w6 o, Q' y( ]10
; ^: V/ z1 A7 }' I' V2 {7 O11" w& c, D- E+ e; h7 a
12
4 p7 R" l( s7 b! y" e# _: z13
$ Z. j/ f6 s: p+ Y5 ~% j生成数据% @& Z; q3 v- H- i& r
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 ! P' z* Q# t  p3 ~
26 ^9 V/ p  @0 k9 z, l
),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}
' \& H3 f1 d8 }25
& L- q/ |2 V2 s& F' c- V8 z! F) y1$ @/ {! a3 j9 j) X
% a+ ^& L" M, W" D9 }/ A
)。
7 u. S( O+ {, Q) z" E) ?5 Q7 |# c1 x) e( s& C
'''
  g9 P- z- W2 Z2 J9 {( Q, j返回数据集,形如[[x_1, y_1], [x_2, y_2], ..., [x_N, y_N]]
9 i; J5 [  f; m保证 bound[0] <= x_i < bound[1].; R; W. M1 o- i0 @* d: d* R8 ^: n2 r
- N 数据集大小, 默认为 100
3 r8 b- n/ N. k! p: D- bound 产生数据横坐标的上下界, 应满足 bound[0] < bound[1], 默认为(0, 10)
$ o2 Y- H9 x- t, ?" i+ ?''': s/ }8 g& _$ `- g3 q$ h
def get_dataset(N = 100, bound = (0, 10)):
% P7 c8 D; K* p  s$ A( w    l, r = bound
: n8 H) Z  A6 T" K) z    # np.random.rand 产生[0, 1)的均匀分布,再根据l, r缩放平移
& o8 H/ ]0 q1 _2 G6 w2 i$ G% K    # 这里sort是为了画图时不会乱,可以去掉sorted试一试
+ h' I( Z, D, p6 T, R    x = sorted(np.random.rand(N) * (r - l) + l)! n2 [* o" f5 a' V5 ~  e) J" e4 O
       
3 T; S: W9 Q2 k, O' W8 J. u5 F5 x        # np.random.randn 产生N(0,1),除以5会变为N(0, 1 / 25). _* m; `/ V8 S1 u: v% I! S
    y = np.sin(x) + np.random.randn(N) / 5
) Y- p/ t8 s, x4 |$ X0 M: y" o& I. {    return np.array([x,y]).T' O# G) D7 C& o, j/ c
1$ K8 w5 L& I+ I. o0 u- b
2# t. |- K2 M* d0 O
37 m9 J+ D4 T( T
4- Z6 R& Y+ \8 u0 ?2 B3 c" |
5
( b7 o4 h0 w0 E; n  U' a" i6
4 t5 x- n2 ~4 \3 s7- S2 U) x( R5 `6 j/ \) x
8" r8 l' o( _: w; g* p
9
( @+ k" z: h2 w0 \. J* W4 V10$ w8 P4 O+ A5 N: L$ C7 K( K+ U
11( o! \5 q. |) N0 f
12
# M: f7 _1 h& f0 d133 B- v/ Y" c1 r; K8 ]7 V
14
! K# T/ p6 a9 Q4 h6 @- S+ ^155 u) b! j; W- b- t9 v
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:
/ p. `; T4 m& J/ y/ z5 ^
$ `# t" F  m. {! w3 F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:8 G, H) v6 s2 u! i" K
6 H: r; X7 b6 U/ P3 t5 O
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
9 O, i+ f' a- f5 a7 O5 x# 绘制数据集散点图" A/ x2 Y: k/ ~4 }" a" ]6 ?
for [x, y] in dataset:* @& G. y: R& S
    plt.scatter(x, y, color = 'red'). L% T; a' o" R; U* _2 n! ^# ]
plt.show()
% d6 q: e1 C8 N: z4 X8 f9 o1( H- O1 k1 c4 g) Q
22 R) z% J5 Q' Y- M8 n1 N6 M; i
3
0 Y* \8 }! Q1 t49 \( p, v( @" \6 G4 q
5+ X3 b4 d, N7 a, x
最小二乘法拟合
/ l! ?4 h8 Y1 O* H下面我们分别用四种方法(最小二乘,正则项/岭回归,梯度下降法,共轭梯度法)以用多项式拟合上述干扰过的正弦曲线。
; `! I5 ~4 }1 ?7 w( I0 A  h$ M: m3 N' y5 f! J
解析解推导" q7 V' l  K" \* ~2 ^; ]) y/ Q& Q9 s
简单回忆一下最小二乘法的原理:现在我们想用一个m mm次多项式
$ @* B( V) e0 x' u5 hf ( x ) = w 0 + w 1 x + w 2 x 2 + . . . + w m x m f(x)=w_0+w_1x+w_2x^2+...+w_mx^m
3 @7 P4 `  \) l0 H8 H$ K: Gf(x)=w
" z, c" o( o" r, Y: e. f/ `0( H: [# A1 P- r, G7 ?
' |1 C" M/ y2 J) D' b( n
+w 3 N# |' c2 z8 G% y9 d. h
1
8 ?% _7 z. w& N& c3 L7 v
) z3 k% m$ q' L+ ?2 r x+w - ^7 G& r( }1 v+ t
2
' r0 n* x7 g9 [. G4 c5 G
0 o- o4 D- i' I9 ` x 8 T9 ?$ `8 b6 l3 M; c6 i( u
2
- H. O' A4 r# q$ W +...+w - ~# J2 _" c. {+ }7 W
m
/ p# D3 }/ l$ K; a! `, \1 x# h2 K( p: J- ?+ ~
x . Y6 L% j3 H8 P  Z" T
m8 F7 `8 r: ^6 t, i$ F! }
( X/ U# Z& u5 D1 E

6 F% `6 R! v# }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
7 s: f' s% L8 d$ Q  }17 q. j, w& P" M" c: f4 l$ J( a
  J0 R% _1 I2 {1 P4 U! r5 L% O
,y
6 E; x. i' g" K! }5 n1
2 A) K2 m0 B, ]5 H% G3 h* }, m  d. m- L, K( L# r
),(x * G$ m5 n% ~2 L) M: |$ m
2% ?- r$ i5 e8 w. _

6 s* s+ v; D3 c: p( k ,y ' G5 w  J! S5 e5 w& X
22 `1 I4 g4 ~, O! E" n

/ L4 F( C' g. h, @) R; m/ M% u ),...,(x
& g9 M0 U( V& U% i, U* q2 D: wN
  J8 [% x8 r3 {5 P. ~* R1 t' {! Q
! J2 ~% g" r) v2 ^: H1 P ,y ; u; {7 U9 s$ F" W6 W$ {
N! J: o0 w% i. G+ Q

. e& w& ~% Q: Z+ U: y' y4 O' d )上的损失L LL(loss),这里损失函数采用平方误差:7 X/ B, r# n5 c" q6 |& C' |) E3 O
L = ∑ i = 1 N [ y i − f ( x i ) ] 2 L=\sum\limits_{i=1}^N[y_i-f(x_i)]^2
. {$ X6 g: M( F1 GL=
/ _6 k" I! Y- J: T3 t- Ai=1
4 w' }1 r6 q2 O+ j" C- \$ t; e- V
N
$ P- n* y; X, j. D7 v/ ~+ [8 j5 V2 d1 E' r# v# Q& c
[y
. U' n( {* H' x9 j9 p9 Si
# J5 C& t& a/ K9 a1 i. d/ I3 S9 z; \- Y) k
−f(x
) V$ i4 n9 |9 Y* P7 Hi0 Z2 H9 H% W# Y7 t
7 `- b5 ]* Y0 S# u; Y1 r
)]
( f, P6 z$ N* S% I2
) F1 i# _, Y( d7 y
' Z! }1 q& A$ R& ^- O+ G
( L8 a8 M9 y; L9 e* I5 `8 Z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
1 m2 _2 s+ P/ C& v  \' m0# A  G% b' [1 u6 z  R
& [4 N" b8 M5 E* u
,w
/ L. Q- b; B  W7 U1
, X$ B# x2 b5 I1 j% m1 W' Z+ b( w+ [9 e% U! Y3 O& l
,...,w
7 M9 e1 Q2 s3 h- c# Mm) L& Y; P0 v: @4 H4 k+ @
3 A4 r7 `) {4 `( c1 d" Y
,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
6 x. Y8 V1 R( z5 Q# E0% T- d; |8 E  o3 g! r! \; }

0 |0 w) |  o- s9 h9 u ,w
7 \: n  f9 z. y1; ~9 K- k% H0 l% r
1 ?" \6 P/ c/ h% r( e
,...,w
  Q3 e$ p3 b  t) K3 Om8 x5 a1 Q& z4 \! U" c

1 s% C; L* r4 l 的导数。为了方便,我们采用线性代数的记法:
7 k5 b1 c6 @$ g- m$ k9 C& RX = ( 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=% ^# Z, L, z( T4 H+ Q( a+ B
⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜11⋮1x1x2xNx21x22x2N⋯⋯⋯xm1xm2⋮xmN⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟- Q: v, a+ J" K# d% D" [
(1x1x12⋯x1m1x2x22⋯x2m⋮⋮1xNxN2⋯xNm)
; M5 P, u8 {$ ]- e_{N\times(m+1)},Y=
7 g* R! D6 b* k1 M! \⎛⎝⎜⎜⎜⎜y1y2⋮yN⎞⎠⎟⎟⎟⎟8 X/ l3 D3 _; }
(y1y2⋮yN)
% @2 x" A+ w" `3 M4 L  j_{N\times1},W=
! C* o! h' l% P4 D! v! V! Z/ t$ h⎛⎝⎜⎜⎜⎜w0w1⋮wm⎞⎠⎟⎟⎟⎟
$ }( B( z& `: J% W(w0w1⋮wm)
+ T; g. o3 }  W_{(m+1)\times1}.# H1 i0 b. W7 v( V
X=
7 k0 C: r  o  Z3 X$ N! x& c; B
' T9 K1 L+ W* H) y& F( ~3 F, m: w( G4 {8 d: f5 O
1 L6 s  e  V$ D

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2
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& ?, k) z% g6 j3 S2 A2 r/ R4 w
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: S/ i0 F! f- X& c3 Z; z
,Y=
2 t1 A: d" V, I# K- L, e) U
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: K0 B& _( H" N  m  H
9 K. s- `6 O1 r) k3 t. fy 1 z5 |& E& `+ M- \" a
1: g& Q+ d7 }" p, m* t6 D0 ~' |$ r

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* p6 X4 F. I. X9 V; X* y7 D; q- K. j$ W6 y' Q

5 c; u. g5 M. l) s: \* I/ I7 Z% K
y   W* |- R- |4 [3 L
N/ h# K$ w0 q" z- S2 N6 r1 v

6 f# y; E$ C8 m; T6 x3 {
# W" W. H8 ^7 m4 O/ ?5 v# ^1 N3 U7 K
0 k  ?5 y5 x! H; C

- t4 ^( \5 F% K' S, t8 u% L; m
: S; j' r8 W5 u' C: V; N' G; x5 [) c  a) H8 _' w4 y- k# D: t; a

9 S' j; u. z. J* g7 \5 B# r4 C: |N×10 Z4 [4 h& x: b# w/ Y  @0 n7 D

8 |  G& z8 }1 a. |4 w ,W=
3 G1 Q- {9 t! u$ C2 L9 D3 S' w2 s1 G9 n; [9 ?3 m

0 @  q# I3 T2 D8 H) e8 Q4 a1 C2 s& N2 @  t9 Q1 ^& g" h
9 q6 h' w9 Z: l9 t& E4 [) H
w 9 k& Q' Z7 v" }
0/ }/ E9 t: O) r1 l) G/ l, {

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w 0 L4 y$ @: ~9 K2 t0 x) L2 y4 E, q
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" X9 a( d( z1 |1 p. M5 o* `6 t8 B) B0 J2 g. ^3 H5 \  M+ o+ b
w ) ~$ X/ W# v" ]2 j0 m6 c
m3 g" H: E- U3 f7 t

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6 g- Z4 Q$ m$ [4 |2 ~3 P' F3 I4 O, Q9 r; q; m# e/ w

$ A  z9 g' B  G' \0 e/ D9 M, ~/ Y. w

  c7 x6 D  [9 _8 u4 d. I5 M% M; v, K6 j
(m+1)×1+ u/ J. O& X2 A% j; W& W
% w, t& W6 K4 Q' P
.6 T! T7 Y+ W  A  M2 `
  B. Q9 r0 T+ }8 Y) i: \
在这种表示方法下,有2 G% p( U9 V- V: j
( f ( x 1 ) f ( x 2 ) ⋮ f ( x N ) ) = X W .2 Z# n4 F/ U: l9 P/ b2 x' {/ E1 r
⎛⎝⎜⎜⎜⎜f(x1)f(x2)⋮f(xN)⎞⎠⎟⎟⎟⎟
8 q6 T* u8 ~* j  j! f(f(x1)f(x2)⋮f(xN)); Y7 [1 I! U* y2 \" y9 g8 X
= XW.
9 |$ y0 ^8 O# D9 ^* z% R8 ]
1 @. N& A0 ]; q7 y0 d* b0 n  c$ ~
) F% w* H9 @) r0 M) ]* V
. P5 p* i* O8 `6 ?. h4 u9 S( M5 @2 n- P8 ]
f(x , p# O$ n& c* H4 [
1: ^% {& g8 R1 X! @

9 V0 l3 Q5 S# p; R; K" w )
8 s' n0 ]8 U1 L' E6 ^f(x ; c4 n& _- L: X
25 o6 l& C  z! a. W$ m" E1 a

0 q4 d2 X7 b% P$ k( i+ J* \7 c. b )/ f" p$ m* q0 n1 H; y) H
6 P; u! d  i9 _/ [( ?# K% ~5 Z% J
f(x " ^& t. `- m* C4 Q& z; A5 _
N; C. S6 R, [- w& j$ H

* d' \2 H! \1 A4 G )1 V8 R& O( X8 A0 r  j! N% @2 W

  ^8 g' y2 Y4 y; S1 b( u2 l" m- a# y- [: N% \
4 B  v$ J2 Q' z1 w

3 s" n; ], u+ `  s# K6 q7 ]6 E; g: _* P+ B6 ~4 a$ e
=XW.0 u6 N7 b7 i, X
- N7 I. A! ^6 [. w. c$ ?
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8 l7 X- @0 x8 ~" i
( f ( x 1 ) − y 1 f ( x 2 ) − y 2 ⋮ f ( x N ) − y N ) = X W − Y .
5 Y. W1 l! [; X0 s3 Z5 \3 J6 v⎛⎝⎜⎜⎜⎜f(x1)−y1f(x2)−y2⋮f(xN)−yN⎞⎠⎟⎟⎟⎟
- M2 j$ R* q' G9 G* \/ @3 R. r8 G(f(x1)−y1f(x2)−y2⋮f(xN)−yN)6 L& u+ O  G; y3 i5 E
=XW-Y.1 B4 B" Z' W3 k) x! b: C
% e2 Y3 Z, w3 u* I- q  g! [
/ |  F" d3 W! N# C

6 j5 _! f0 i% q- X  d5 B$ u
4 U; K! @* H( I# P- O/ S  sf(x ! `: ]8 E! g' Q8 D, @  I
1
- P$ m9 P' q6 d7 H+ n( {+ b
3 n. @7 r1 |) h  V# [5 o )−y % p8 t# C, t1 Z. Z
1
, m* J) Z% v; ?; t- s6 F" w
3 x) m" K) a: r" E4 p8 n# g# @  Y# {1 L  s" p
f(x 2 L" ?8 k! }, `/ c& L8 @* m
2
2 h5 D9 v! @- p7 ?/ P
: v2 D2 o+ e& W  f )−y " J& M6 ~) c& T" I. g
2# z& S6 Y* e& c0 M+ m" M. o6 }

$ {, _! j8 Z/ L* S8 j% c1 j- J7 d: T0 Q- B7 t- W8 V

6 @0 t! {; {' hf(x
& _* N6 G  a* B7 j0 ?0 }N
/ J! T6 |- w1 F7 {4 b
: v, o9 U5 ^5 {0 k )−y
6 s: T; h+ a" d3 }0 e* I& S+ ~N1 P; k, |; r& V

, _2 J/ F' B9 w2 L4 z# \$ i0 i! W3 E$ V" V' D
- ]% B- N: j( }0 I! V$ r  g; ?

+ f7 k6 T* U$ m3 G7 G
9 v7 j& ?' t- W# h7 Y
, M. E7 z$ c9 e( K0 r! ?: l; A" k
  N# }6 Z0 S$ c$ a" |+ d1 O$ y =XW−Y.& B4 Y# C& a( A7 m

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

; ~. @/ k$ k3 t1 }1 g1 {1 K0 c8 K% e
其中∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ 2 2 ||\cdot||_2^2∣∣⋅∣∣
# H8 t  l3 s( x( X2 a6 M2% H8 I2 h) _$ l$ s
22 d6 z' r8 P  I( E& H; L
' \; ?# H# d+ x2 d( [  p
表示L 2 L_2L
+ \- u% a& X& Q4 W9 J1 f2
+ o& Y7 c$ H5 `* ]/ e8 v6 i- z
4 F8 v! c/ Z$ h0 K0 @/ L 范数的平方,在这里即W T W ; λ W^TW;\lambdaW
. z* T& W$ u- h! t, e' w7 fT
  {# _( e9 m6 R1 Z 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
/ G! H" H+ F$ d! n0 V8 B" {! v4 ]7 T2- N; T; w! A9 O9 Q

" U+ o9 s1 s% k- L 范数时),防止W WW内的参数过大。5 q3 }; M1 H+ O8 M0 m' ]& P

, k5 D0 B2 A& N: W举个例子(数是随便编的):当正则化系数为1 11,若方案1在数据集上的平方误差为0.5 , 0.5,0.5,此时W = ( 100 , − 200 , 300 , 150 ) T W=(100,-200,300,150)^TW=(100,−200,300,150) 3 C! Y- K) E( ~3 x7 o5 ~
T
, V3 Z' T, j2 A. e2 O/ | ;方案2在数据集上的平方误差为10 , 10,10,此时W = ( 1 , − 3 , 2 , 1 ) W=(1,-3,2,1)W=(1,−3,2,1),那我们选择方案2的W . W.W.正则化系数λ \lambdaλ刻画了这种对于W WW模长的重视程度:λ \lambdaλ越大,说明W WW的模长升高带来的惩罚也就越大。当λ = 0 , \lambda=0,λ=0,岭回归即变为普通的最小二乘法。与岭回归相似的还有LASSO,就是将正则化项换为L 1 L_1L 2 q4 i5 B( P* Y) @5 T( t/ j* l! j
1* E. d. h' w+ ~9 n5 H' b( z- r1 h" a

8 U* x% e: \1 X0 U+ G& p 范数。- m+ u: l- i0 f! \" a, K

' 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
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
& 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

6 p1 R9 U8 h, @. D' s




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