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标题:
哈工大2022机器学习实验一:曲线拟合
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作者:
杨利霞
时间:
2022-9-14 16:40
标题:
哈工大2022机器学习实验一:曲线拟合
哈工大2022机器学习实验一:曲线拟合
1 k8 g C- n& R
3 `9 ?4 ~- L: A3 f7 W9 C, u
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:
% G- M' f/ c J( F
/ w9 S- Z5 a& W# E. J* @3 y
import numpy as np
" e# a6 X7 t( T6 _2 ?5 q1 u( o
import matplotlib.pyplot as plt
! b6 U3 x% l- Y
1
1 J& a& d0 M7 |- w
2
. q2 Q1 F& g+ r* G- k
本实验用到的numpy函数
: ^0 ^5 e( W0 \$ b. ]
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。
- ] Q# N4 U5 w& j8 q& `& {
. x* v5 j, _6 T$ O, ?) D
np.array
. n$ k0 r6 m& i) c
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
! _$ x8 m8 F( N: [! @
x
+ b5 j3 S/ l9 P. H% m: ]. U
x表示列向量,大写的A AA表示矩阵。A.T表示A AA的转置。对ndarray的运算一般都是逐元素的。
3 {8 _7 `' N/ U: c, M2 a" {
; y& h& h T# i+ W; T. z
>>> x = np.array([1,2,3])
) ^; g+ n7 z3 B( _) n2 F" |! M
>>> x
$ L6 E) J0 N0 }: b7 ~
array([1, 2, 3])
- L6 ]8 T( E! s) B% V
>>> A = np.array([[2,3,4],[5,6,7]])
6 |" E' K1 @ m9 {
>>> A
: l. u* s2 i0 [1 s/ v- {# k! Q
array([[2, 3, 4],
* Y- K3 p' G5 E7 \
[5, 6, 7]])
5 W, R) Y1 @ X, D: K7 I
>>> A.T # 转置
% s* @0 s, R7 P$ [' h
array([[2, 5],
) |9 i4 N6 v/ Y2 y, m
[3, 6],
* q% d. `& x u+ L; A
[4, 7]])
4 P# ^1 D' `$ ?0 k: Z& B5 Z
>>> A + 1
+ x0 c1 R% ~% [2 O) U
array([[3, 4, 5],
! n( p s; @, ]( d% ^8 k2 |& P4 x
[6, 7, 8]])
3 I6 t2 ]6 O! n
>>> A * 2
# [9 v! _6 C9 h
array([[ 4, 6, 8],
* B, n; T9 q ~) @7 W, t
[10, 12, 14]])
; [3 }2 m) h$ p! w2 k5 L5 j
" P8 w" f7 D( }$ u: H! _
1
i* K) l; |: ]
2
( ~* A. Q F( n- }7 ?. z: Z
3
) i( {+ T6 r J! D" f
4
+ j) X7 k" _! }% \5 W
5
4 J/ j/ T& n. \+ u
6
}" g/ ^( r! n
7
: e5 D8 @( l. C/ o9 }+ ^- x6 R
8
. ]. E0 U6 ?9 J0 A
9
" ~& b' b2 W. i5 w9 t, {
10
9 }* Y! k4 N: v- }: h$ D& D1 T" M
11
1 @3 r- }2 n) O/ n
12
$ }+ G5 |' Y9 a) k; H, l% h
13
4 Z" t% z5 Z& V# T4 G
14
) i4 k2 c4 X# V$ l ?
15
7 R' R, z& A, t7 U% _6 Z
16
4 d9 q: p* j3 o7 M7 q0 v3 _. V3 N
17
5 E, n9 e7 @2 N& y3 ^4 g7 b" J
np.random
1 i6 c' c7 ?6 \# A; Q
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。
5 O) c& v1 y; E6 f D: K
! f7 a1 W# `7 _
>>> 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
# ?+ z/ W2 s+ g, @9 H$ }
array([[8.18713933e-01, 5.46592778e-01, 1.36380542e-01],
/ X2 T M ^) M; L# J/ }
[9.85514865e-01, 7.07323389e-01, 2.51858374e-04],
8 u* T$ {; l/ R+ X% a
[3.14683662e-01, 4.74980699e-02, 4.39658301e-01]])
* a4 S: c( h6 u& _/ r8 l; o
x0 o: F6 z0 h
>>> np.random.rand(1) # 生成单个随机数
9 d+ D, i! x+ Q4 Q, Z
array([0.70944563])
, I: ^0 T0 B2 S8 v& H' @: M
>>> np.random.rand(5) # 长为5的一维随机数组
# g! l+ e, I; z7 U9 u& Q
array([0.03911319, 0.67572368, 0.98884287, 0.12501456, 0.39870096])
' u3 S6 Q( Y U; c6 S8 O
>>> np.random.randn(3, 3) # 同上,但每个元素服从N(0, 1)(标准正态)
3 h' ^; o( [ w2 A! p. ^
1
0 A: n+ O5 ?, o x" x$ a( K
2
$ s+ ? b1 U3 X" x6 S
3
1 O2 ^9 a# g* j& u; N# i
4
' H5 \+ E/ J" y. ]6 @
5
7 K3 c& X0 J( D! i; y
6
. e+ X; \- }( M9 s, N8 Z
7
2 b9 }* x" `9 P$ P; z$ F; M& y
8
7 `2 w- d2 S$ j! O& O3 L
9
; i5 W/ Z; T3 Q& z0 P# m
10
8 X! d: p! x3 U; g
数学函数
" o2 i: ]* B( T7 M; ?( ^ h9 |; w3 g
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:
3 |: X( [" c! n2 C- r
7 U: E8 d' Z4 u+ ^
>>> x = np.array([0, 3.1415, 3.1415 / 2]) # 0, pi, pi / 2
- |- ^& s) ~# [, `& ^
>>> np.round(np.sin(x)) # 先求sin再四舍五入: 0, 0, 1
8 W& F9 ^- {: k% P9 T% Q. O
array([0., 0., 1.])
! g7 q; Q) A8 t* [1 E8 T% O
1
0 r2 i& z2 T% B7 b
2
* g/ _& O1 g4 S
3
$ j: G$ y- t, Z! {4 K
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)。
; w# E \- a4 W# Q# K% ] z
) N0 Q7 y. C1 i5 D
np.dot
2 O; W8 b) z5 H8 J1 Z
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.
' h0 y1 {, I7 `0 L/ c4 p
( C3 f N9 _" A# X8 X
>>> x = np.array([1,2,3]) # 一维数组
- N# o" E% x4 F4 _
>>> A = np.array([[1,1,1],[2,2,2],[3,3,3]]) # 3 * 3矩阵
' s7 k. P. _/ s: ?
>>> np.dot(x,A)
; [/ f2 t* @, B) u
array([14, 14, 14])
: v% W N- k9 b, I& L% P, `
>>> np.dot(A,x)
/ ?( C' J9 S, ]) {. e. r1 A* V
array([ 6, 12, 18])
4 V2 I4 \, F) `9 Z H
% |* F% R. M- y# L9 m
>>> x_2D = np.array([[1,2,3]]) # 这是一个二维数组(1 * 3矩阵)
L" J* B7 n) c
>>> np.dot(x_2D, A) # 可以运算
" [7 i) l( h' g3 Z6 @2 q, g- T( G* z
array([[14, 14, 14]])
' q" \) U! p T
>>> np.dot(A, x_2D) # 行列不匹配
* |4 m: [5 T- Y% g
Traceback (most recent call last):
" _2 j% M) K) m
File "<stdin>", line 1, in <module>
3 m7 h0 S! T& S8 [
File "<__array_function__ internals>", line 5, in dot
$ z# v' ~! v/ R) M. u8 d" e' L
ValueError: shapes (3,3) and (1,3) not aligned: 3 (dim 1) != 1 (dim 0)
- C( y. k! ~3 V
1
9 T$ r2 v' g1 ^4 e, Z6 P% q" M
2
' `, b4 d7 |; Y
3
4 X9 v6 `# I0 x/ e- P2 g) h
4
5 d- C! ] q( }8 k, B4 L
5
& V$ s6 ]. r5 I: Z7 ]8 R, Q
6
7 s; T; I/ q3 M$ S/ N: g
7
6 i+ Q+ E# ? X+ X% C
8
9 q% k8 }& H9 T
9
0 w. S- R2 ?- h3 r
10
* N0 [ M4 ?( h" C9 s
11
7 k4 N6 b" b( J; a: p- U
12
5 K" c& U6 m* z5 o, `8 W2 ?
13
; d! ]) q7 E; v: J% v! i5 W
14
2 x1 J, l4 G& n+ z9 e. ^
15
( {+ t6 S+ _ G7 M; n( S
np.eye
9 z% J w. D; H( k9 n+ k( U# I
np.eye(n)返回一个n阶单位阵。
# B+ O) |- Z' Y
, @3 ]% p, x2 c$ y9 C- X6 l, p
>>> A = np.eye(3)
2 N. B2 a, R t7 ~' |8 @) j. X
>>> A
, D! j2 N" K4 f: E
array([[1., 0., 0.],
5 Q6 N/ p1 h9 q1 u1 ?3 p
[0., 1., 0.],
" T8 \ b3 c6 b/ ^8 X
[0., 0., 1.]])
+ [, c& |, e( ^/ `3 L K+ ~
1
! t3 u- ^* e6 E2 ?) S: b
2
2 s3 t; V. w) d- ?+ Y* T
3
3 }2 T& J) h4 x! O2 Y+ k1 S
4
& e1 O0 o$ g# n4 r- h
5
, c! L0 v% u& S3 o. y: J
线性代数相关
# C6 R0 a% V' P* T' z
np.linalg是与线性代数有关的库。
" C5 W1 Y Y; `: h
0 }8 O. h& D, G! G" Q0 j, S
>>> A
# Y9 _4 ` d" F" ]) _" _
array([[1, 0, 0],
9 A2 G' w' H. d6 _! x
[0, 2, 0],
' W7 g; p9 ~: W% k
[0, 0, 3]])
+ h0 c9 V6 Z8 S6 t
>>> np.linalg.inv(A) # 求逆(本实验不考虑逆不存在)
1 F8 Z' j5 B2 B& s$ k
array([[1. , 0. , 0. ],
$ [* ]6 c1 q; y, p2 O9 o
[0. , 0.5 , 0. ],
5 t1 [! t7 f1 Q/ p* w# X( n' B
[0. , 0. , 0.33333333]])
" A3 y$ \" A; F8 I
>>> x = np.array([1,2,3])
; Q1 U0 V0 d2 w0 R
>>> np.linalg.norm(x) # 返回向量x的模长(平方求和开根号)
8 N: N/ m6 I/ Q
3.7416573867739413
u8 @) a3 r4 C& L
>>> np.linalg.eigvals(A) # A的特征值
7 |; N( ^- ?( q6 w6 P; I
array([1., 2., 3.])
6 b! x1 y* Q+ Q& Q4 p# H
1
' n& |( [$ m, R. \9 d9 y
2
" ]$ f8 U' ?" E. E- L7 S. h1 m1 @
3
# ?. _/ m8 d0 i" d+ Q
4
& ~3 w4 H$ Y, @6 I4 d
5
/ g& d" r* v7 }
6
* \9 K; T7 \" S- B4 m
7
k- F/ Q H: U5 ] |' Y
8
- T1 a7 M8 R7 x8 G, c1 S
9
( _( C$ X8 i2 k+ Y* t& f7 j1 C+ h' y5 _
10
% D' p! p. s5 K
11
) _% a- B9 c& e
12
; ~9 G! z5 {1 I+ |
13
1 a8 A1 T, N: S/ Q7 Z5 I- [
生成数据
) W! z Y6 S2 J
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
. B$ X0 p5 k! t' P1 k0 L0 z9 g
2
$ T) @% D; P0 Y# \8 e F9 a
),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}
* ?' C7 R9 d5 @$ s5 k
25
9 i' K4 K6 w7 @2 q
1
" z- A+ f. k$ l$ q2 O
6 |% i% P! s% `% G7 h8 L
)。
: {( K# L# a9 g9 o8 R
9 Z5 i4 H4 y$ F& }6 x* r
'''
9 f4 V1 c: w' N& l: t9 I
返回数据集,形如[[x_1, y_1], [x_2, y_2], ..., [x_N, y_N]]
( z& z8 g0 M( I! C: M, _8 N, m
保证 bound[0] <= x_i < bound[1].
& F8 I$ W5 {) @6 s0 x" N
- N 数据集大小, 默认为 100
" c/ t, P& z. s8 U/ }# @
- bound 产生数据横坐标的上下界, 应满足 bound[0] < bound[1], 默认为(0, 10)
) I5 [7 k4 R$ }" T- R" B" R6 n9 \8 k
'''
7 c5 E/ o6 u! E5 _' w6 j6 l! Q0 A
def get_dataset(N = 100, bound = (0, 10)):
9 u2 z4 C& Y/ |9 y6 d4 Q
l, r = bound
( n& o3 m7 A0 i3 V# }8 {6 m
# np.random.rand 产生[0, 1)的均匀分布,再根据l, r缩放平移
# d3 P- u" K) e! j# `6 A( m6 W h% R
# 这里sort是为了画图时不会乱,可以去掉sorted试一试
( E$ l; Y4 J' D. J- U3 `4 R
x = sorted(np.random.rand(N) * (r - l) + l)
( C$ e y7 L# d4 H
/ N$ \( h5 l& d& y
# np.random.randn 产生N(0,1),除以5会变为N(0, 1 / 25)
1 j( A: R+ C* R/ a1 n4 q# }, `* I& q
y = np.sin(x) + np.random.randn(N) / 5
9 p# J: x! k! J4 ~
return np.array([x,y]).T
8 o B v: B% L8 P8 k! Y& c
1
- \( k$ p5 H6 f3 j" E& w$ g
2
* j- \& c9 G6 a8 V; o! J8 z
3
+ S/ N5 _7 _# I+ i, ~
4
# |9 |4 ^$ k9 m6 d$ q3 z( h' Z/ ]
5
( M' q+ i9 U9 e' k
6
# z* G# P6 o" {' h. q) K" V
7
$ r; N# p* h, G$ t9 I/ f
8
" ^1 I" N' N! m* s1 M- T8 G" J2 N
9
4 E3 q- |5 R/ z/ b' m
10
7 j9 y4 ?5 L" s* E) G: G, j" ]6 T
11
) _0 R0 D! z1 F. @% s% B
12
3 \+ k8 N# w$ c# X) g
13
; U. c5 {! L" w2 Z |7 u% p* f
14
: W0 Q7 T. @! t4 l5 F9 e$ ~% W
15
9 F7 A& f0 J2 p4 D4 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:
4 L; m: A# T0 g9 C) O$ K1 b
8 b& S2 v4 {& ?6 G! D
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:
- L# p8 a t. e: u5 a [7 R/ p
6 e0 ~/ C* y; {1 ]" l" g- s) q
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
; T0 e8 N8 Y3 ?. W
# 绘制数据集散点图
. B# N8 i3 \5 T/ I* E- J; f
for [x, y] in dataset:
9 \2 u$ E7 j; C z3 z
plt.scatter(x, y, color = 'red')
, j6 j7 H S! ~: Y+ M% F
plt.show()
; Y* J% a: V; g8 x5 O/ `
1
# x, Y6 a. Q- @" U- ]3 t
2
+ p: S4 Q9 ?; |9 t. W
3
4 h4 b2 c7 a+ V6 [0 N; i
4
( U+ y6 _9 ]: _, z5 {' P7 a
5
( g( m( S7 v0 H6 M
最小二乘法拟合
- e9 ~. P x- w+ t, N* Z
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。
3 @. p, j0 W; k1 ]( J/ }- n2 W
1 s `; p. f# i( ?* D5 `
解析解推导
N& W( L9 J( n5 f1 Y" z
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
/ ` e p( L3 z( p* F1 X$ U
f ( x ) = w 0 + w 1 x + w 2 x 2 + . . . + w m x m f(x)=w_0+w_1x+w_2x^2+...+w_mx^m
; e, k/ E. S# r Y# ^( f
f(x)=w
/ a3 {+ ?7 \3 {6 b1 _$ a
0
) m5 d- Q5 I8 d/ n7 p/ c0 t0 N3 E9 ?
6 u# X" P: S# e0 H* A
+w
9 I+ d4 |" K( {6 s: H
1
% c7 d3 g; e* _' X) h4 i
- `2 k* F$ t) I: H5 t) Q5 Z6 Y" Z
x+w
_; {+ l) V# z. B0 L
2
5 S% Y# @8 O( p2 P, [
" E1 }! d" \; y; T
x
5 z; f3 i! n! B% u2 i
2
8 _+ k* w7 J# O& X0 [9 I
+...+w
* A8 x' G G a( n( S7 W% r; p! l9 m" e
m
+ v/ q% m9 [! N' b, O$ O y
& H, n: n4 p4 T' b6 f, _3 B
x
/ \: C. [% I8 J) J
m
8 z- w, S( i0 y: V
( o8 f% G6 E6 Y5 z5 O+ @0 D
; @. r y' e& r
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
' L/ b& }2 p2 W! g. k, h) l! b0 m
1
: R* `, Z3 ^: b% o& z; T
+ \, {$ S6 e! C7 ]
,y
( |2 [; i" j- u2 s
1
( _. w' y9 ?9 W3 j: l) b' j! I
7 S& ~5 b, h! Z1 ~0 O( f
),(x
. o. G& A+ g0 K0 A
2
6 k+ i) b" |! B" t& s! ^1 N
( `) E1 `6 W) F6 N: ^4 o
,y
. ]9 x6 b. K8 L" d: F# c
2
5 j9 M- s# _ _' h0 p
# }* g& n7 ]# b$ C: E
),...,(x
/ ~+ F+ {$ x$ D9 i3 P- b
N
, @: ^$ U* m+ z! ?: e3 s8 M& t# \
5 g1 n% G/ S! [4 F: g$ v
,y
% }8 f* Y, E5 `* N0 _9 v
N
( v; h/ P; K/ n* s) T
) X2 o8 ^* j/ X3 q2 |
)上的损失L LL(loss),这里损失函数采用平方误差:
7 _! c9 _- t# U' k3 O
L = ∑ i = 1 N [ y i − f ( x i ) ] 2 L=\sum\limits_{i=1}^N[y_i-f(x_i)]^2
# l+ a6 O. o3 ]" C* |% f: X# P9 S' @
L=
. Q) h6 o4 b0 J: l0 n' k$ h
i=1
/ P$ M) ~: v0 L, v( e) U
∑
( k. T, R) j" V1 ]
N
/ S1 }! I4 {; ~
$ _2 l( N6 w6 x& P Y5 ?
[y
$ z! \: A. O/ y' D; p, b& @' G* c% R
i
1 v* i3 a: a, g1 O( z6 q
4 q! d/ p5 O( a! P* U. X
−f(x
1 h+ J! y& q& G+ s" I9 ~
i
5 n" ]" ~2 s/ h6 n$ F' v( h9 `
: P, F7 \; K. u- R* c
)]
' ~+ |9 S& R" T
2
; X+ z4 s5 H7 U0 ?- h# l
' m$ t$ ~2 `! ]" r
& l! V1 i& ~& X2 B
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
+ t" z+ ~, ]+ p
0
* F5 M5 V" y$ K, Q; Z
: \( p& W+ X, r; p0 f. {
,w
. V ~+ ]/ w8 J9 i& @& G' |
1
6 I- `5 ~6 S" z/ Z' D
+ R5 h; X; W8 P
,...,w
; |* n% L& `/ Z# A# W! Y) z
m
^% }+ Y9 |0 s8 q
5 {# P" ~- h3 X% G
,我们需要分别求损失L LL关于w 0 , w 1 , . . . , w m w_0,w_1,...,w_mw
, D n' J4 G+ |4 b! Q
0
" U4 S( i1 J1 s
7 I3 ?5 _( G# g, C) W6 g9 z" {
,w
W( Q% b3 x( y3 ^ Y
1
3 ]& [2 @- @, U$ U: H% t
1 a' B0 S) [/ C! G' y6 }& U# F
,...,w
- }$ X2 l4 m; w) s; u
m
: U. ^$ Q7 L4 L% Z g1 Z& _
; |/ G6 }1 |$ A* k9 e
的导数。为了方便,我们采用线性代数的记法:
6 S' W6 x5 t. }
X = ( 1 x 1 x 1 2 ⋯ x 1 m 1 x 2 x 2 2 ⋯ x 2 m ⋮ ⋮ 1 x N x N 2 ⋯ x N m ) N × ( m + 1 ) , Y = ( y 1 y 2 ⋮ y N ) N × 1 , W = ( w 0 w 1 ⋮ w m ) ( m + 1 ) × 1 . X=
% R T! o! o: `) R
⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜11⋮1x1x2xNx21x22x2N⋯⋯⋯xm1xm2⋮xmN⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟
9 x# p+ g6 S# @. u: T( J* T2 c
(1x1x12⋯x1m1x2x22⋯x2m⋮⋮1xNxN2⋯xNm)
o R! T/ ~' A! I# L+ c
_{N\times(m+1)},Y=
( {- v; u, x' T5 C( b6 U+ T
⎛⎝⎜⎜⎜⎜y1y2⋮yN⎞⎠⎟⎟⎟⎟
2 W( C! {$ |; I2 ]
(y1y2⋮yN)
. c, o8 I: T p$ a2 ]
_{N\times1},W=
$ H$ L2 Z8 s8 K- ?6 j/ N
⎛⎝⎜⎜⎜⎜w0w1⋮wm⎞⎠⎟⎟⎟⎟
' D8 X4 l7 m8 ^
(w0w1⋮wm)
7 E" T* u3 J8 G
_{(m+1)\times1}.
( H+ h6 s) A; h
X=
& D9 Y9 q7 _- @
⎝
* |. B& T# I) T. b9 I
⎛
, D/ Q& l0 y$ u- Z8 H0 X
5 b1 n0 ?- f- z* T' N Y
% m* C& W& x3 g
1
7 z/ q: e5 }' G4 n0 {5 w
1
5 o3 u, v" v/ g
⋮
% X4 q2 D4 l) }' C
1
# g) ^3 P9 v' A3 B( y
0 g; N. q: w; W0 W- N3 y
' a/ W: d2 _0 l$ X. Y2 ]" t
x
( K" x4 E7 h( V. p* p; v
1
6 X1 B! I1 c' E6 h* ^
: [ b; B# U, a
0 u* d) z. O8 X7 z
x
2 o. t8 X1 W1 @" Q2 X/ n l. ]* {
2
$ ^# ~) l" j7 U* _: F
1 y/ y( V: j- W
: `7 U% |8 U+ l" q
x
8 ?. C- @# M# s. F+ b
N
! m1 O5 m! J6 {! _2 `8 r+ J
- D. ^, ^# A3 M k+ x; Y
, P. `1 B( P3 m1 [: I: J
1 }/ q! r* U8 N% a; A3 |: P# F% Q
1 L; R5 {( \5 N. L: E
x
2 @/ f: b2 q9 }
1
# ?' T6 Y! X7 @& ^
2
" m5 D: ~, [3 w/ f1 j* r" A4 S. G+ K' Q5 d
! r0 D, F" W4 M, U
0 r, ~, C$ Q; z3 `9 B$ T8 F5 m
x
# T R* X( I: ~5 S N7 q$ V
2
" \ d2 ?. |3 V4 n, }
2
9 C$ _# Z- e. ~
; G) a5 x7 o3 P" h Q' {& K7 x" h
5 z, K: k( r: E' l
x
) G8 k" E4 r( Y9 r5 A; a; }
N
/ r$ @# @. X. z% [. X8 W' S
2
% ]! X4 q4 ^6 a4 q
; O r: X: X3 v& v3 s$ s
v0 z3 R5 K" Q/ ~7 g0 Y9 [
# ^ N! a& W& O
1 n& s( G- P% O$ D* X
⋯
3 O- D6 c4 m( r: f' e" E
⋯
/ G- H9 t: j7 e" U! ~
⋯
6 G' Y: e7 W+ j2 B5 |
/ c9 E3 B- ~; V1 I" H$ _
) D$ ]* W' f4 W
x
! R5 e% Q* v r0 J! k( `
1
' {* O1 p+ i- W8 L) _3 S
m
& H5 o5 X3 f7 o3 [* ~2 {- Q
/ A: ?* s* g/ B3 i3 C
8 D+ t4 p2 B/ D: U& W- T
x
. o: k5 T% z1 M3 ?) l8 r; h2 U. u
2
$ I l1 h! o4 {! [7 x* k1 S
m
/ n- d5 A8 E, `
, m) Q _# J* |, p5 e+ _% Q' ~
* N3 ? ?% x5 a5 T& A7 q7 @
⋮
( c1 y3 J$ {; h, p7 f
x
6 e1 [1 k9 z3 a+ J
N
5 U4 T" C- f8 }6 v; x
m
4 n2 O7 c/ g4 S; w8 W
& x. V3 \, d+ W
, V* w3 r& I- S3 T- y
& a6 ]4 o, k6 [) u" ~
4 R" Z; l/ b1 k) i- x
⎠
$ v- t5 [. J& }8 T! k
⎞
- J3 t p* Y" x9 `0 S* u" Q
/ Z: Z- j O8 y9 E
2 S/ Z! V ?/ G+ _: M
N×(m+1)
" w* |9 ~; @# m3 F
: Q. T4 p: e5 A3 e1 [
,Y=
- L+ H& j7 @8 t6 }+ ?1 v6 g
⎝
V5 j/ ~6 v; }* @$ L; P
⎛
. ^ C! j$ L& d
- L$ N5 I2 @, I$ H+ a
5 b6 H; D- D9 s- J
y
. f. _( E% |3 L
1
" U- W# U) m6 K( ^# ^4 ]
6 O: n. F a: Z$ X3 |' h0 n; e! [
& E( v2 W' o: F! o% W0 M; ~% l
y
% Q7 D2 k0 {# R6 ?$ I
2
6 z2 H, T/ r( b8 i- ]: b7 `* ^8 e
" I* N/ N7 V- S0 x$ C. A
5 W; h1 G) S9 U9 w5 a0 J
⋮
( w: N8 ?, y8 `' Y2 X( ?
y
; M- D2 e! m, X8 T( @
N
! `- k: P% ]8 P) `
4 {% W+ r% t0 L" ]. ~ u7 _
; g/ N% j# U# t7 v L3 N, }9 E
. R! a! I+ D9 g* e( T, f
5 P% V l- }& ]( S: f, E
⎠
1 t( l) l+ @6 y1 f
⎞
3 d& |8 a, ]! W( g' l# ~
4 M" S8 b; d* b8 w1 i \
6 A4 f3 b- y. _4 v% @
N×1
0 g4 a* H- G0 u2 O
% }! [8 a+ S. Q1 Z2 f, Z6 T
,W=
" `' N; g5 _; t! r' g6 w
⎝
1 A6 ~! k! f8 v2 u( k, \) W6 Z
⎛
; J+ M% d0 p0 j) E( M3 ^, q
& `' {- U7 ]" H' `& r
; ]2 R3 Z: W* T, x& r8 B; d" ?
w
) d1 f- R, w6 V+ o
0
' N) K: `: B7 J, l, H
0 X" D- Z! v) I- Y* e9 w W
+ W6 Z7 z6 ]3 v0 \! w; K7 l
w
4 d( v) U2 p% g
1
! G+ l5 Q: e6 G* {
+ k% y2 I1 b" t* b3 z. c
9 e: \# T9 Q6 m, F
⋮
3 I7 s; }* r* { z" E5 Z# o- K
w
* ^1 x$ h y' x7 w2 k
m
, ], P M, i# K& t) S5 ?% O
4 G3 z, C% }# @
% o5 ^5 z+ N) s+ s& z
5 G9 w, b; w, D* w7 o1 O% G# Z
! e/ S; n. F7 ^6 u5 i
⎠
. v" ?% Y6 }# Z" [
⎞
! n+ |/ |' C3 B
& ^' n& L0 ^0 d7 q4 U# h
& q$ b9 [0 V3 _" u; E
(m+1)×1
0 I) V* R9 ]1 L1 V5 n
' \* z9 F. H1 r: H L' W, f
.
0 }5 y5 |8 K, Y5 u. \( z1 z% X
% e9 D6 |7 S2 E3 m5 Z
在这种表示方法下,有
* r8 t6 Q; D/ n8 i; T- r9 x+ K; U
( f ( x 1 ) f ( x 2 ) ⋮ f ( x N ) ) = X W .
/ M3 G- y. I p
⎛⎝⎜⎜⎜⎜f(x1)f(x2)⋮f(xN)⎞⎠⎟⎟⎟⎟
4 D. ]$ T& l. y8 s8 o
(f(x1)f(x2)⋮f(xN))
! Y0 ]1 v+ W- [6 M$ [0 v3 |
= XW.
8 v8 p2 P( t) K" R' c* U
⎝
$ p/ |; s& M" p+ Z# G7 {
⎛
: J1 \; m6 |0 B7 Q
' W8 x4 _% Q* ~
9 ?; }- {9 a% i
f(x
9 G+ J8 R2 `) e' Z
1
8 U" ^' J# d& q% d( `- m8 j
6 M4 v% L4 `' J# i8 j1 A
)
3 H: P& C0 Q" J4 v8 u: v
f(x
- S, B1 \1 E, A: w. b, {
2
# b4 W' l/ G7 H
* k5 a3 Q4 U1 s" e& ^
)
. W( e& a7 F7 W# K( f6 }
⋮
3 D* B! I: G+ b
f(x
4 ^/ m3 Q4 W/ c$ O. v8 ^
N
/ [: k7 L0 {9 H6 b; }/ D
! j9 p# u* @, {2 z
)
* x* `' L q" `7 l
0 [+ x# o# C! x8 G- I! a/ G8 ~9 K. j$ D
0 \8 t. y# b# k/ V! R8 T, Y
⎠
6 D$ q$ ^6 C( V0 J
⎞
6 O& e0 }+ W- u% {4 y) R
& B" _9 C" P9 P
=XW.
) U r: \1 T; [0 R
* W3 B5 o9 V$ e# V
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
( B4 r3 ~* Z3 }- i: O3 L9 T
( f ( x 1 ) − y 1 f ( x 2 ) − y 2 ⋮ f ( x N ) − y N ) = X W − Y .
: N2 X# |, y" p, }2 s
⎛⎝⎜⎜⎜⎜f(x1)−y1f(x2)−y2⋮f(xN)−yN⎞⎠⎟⎟⎟⎟
% ?: q' J [3 ]' r Q
(f(x1)−y1f(x2)−y2⋮f(xN)−yN)
& }0 F, s1 G# W
=XW-Y.
! o# Q5 S* H( Y5 d' o
⎝
% @! f) S/ P( [( E5 z0 ~. ~
⎛
& b8 q7 i8 v9 A3 ~
: @% G/ o8 J' c8 H) q [
0 H7 {- R4 {! f
f(x
$ I7 K# I$ Z' r9 r+ R5 q E
1
$ [( Q' d U) ~: P% ~
) O C! Y* I4 M1 ` p
)−y
3 i1 O3 J( y( p% B% \# Y9 X, Q
1
2 V- ^1 J1 {; Y3 u
; R" y4 I( e6 v- _ o( n+ S
: t* h) H3 J% Z* H- j1 l3 T
f(x
1 s: o; {# H5 k% N
2
; [4 H/ J8 b d" R/ _- b
( F) \+ o% Y+ k" z) h; R
)−y
+ i6 F+ q% _; q8 T# ]% t0 ^
2
' B. ?1 u' C5 R& {$ a
# @7 z" \$ {; Z
, b7 M: p* s: T
⋮
% n5 J. _; m8 K" x7 a |
f(x
/ u; C- ~# {2 } Q" E1 u5 K
N
+ q: `6 n6 x& G N
+ e6 T4 Z# _0 }( u
)−y
5 c9 U* e. e& Q4 c( a, u
N
; `. @1 r0 E& R4 u( g1 m) `/ V+ |
V; O: m% z% O1 W' F2 c
% S- _' L- T! ~+ e- _0 F$ y/ J
' g5 `$ T* \4 ]. B/ O
+ x, g' n9 ^# t4 ?
⎠
( ?5 {2 x" {/ w8 v: K0 {1 y: F: G1 y
⎞
* {4 c6 k- |. C( d% K2 N
. o, x6 u" j( `, J+ y& ~3 U
=XW−Y.
3 |/ a# U% V+ @. K1 \
' J: {) N7 O" R6 R0 ~, P
因此,损失函数
9 R9 `- C! E2 b3 m9 l7 J* J
L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) . L=(XW-Y)^T(XW-Y).
Q6 C9 h" t7 w
L=(XW−Y)
. V4 O1 T$ y$ ?. z+ B# k" `& [
T
& v$ I J9 o) W4 t2 A' U; o
(XW−Y).
3 \0 w' [ B0 j4 c+ g7 V5 \
! K; f" V# N) r0 p
(为了求得向量x = ( x 1 , x 2 , . . . , x N ) T \pmb x=(x_1,x_2,...,x_N)^T
9 M9 d& w0 @; ~# c5 s, M
x
6 X, U8 T/ c( d& O( S% M
x=(x
( ] |# B2 S! D) ? G
1
! @, N x5 O7 c- F
" K$ Z) D1 n6 Q' X0 W. ]$ u& |
,x
) p/ d) I k$ E+ v2 m4 P& i
2
1 [8 e7 Z* A% T% ^9 d
4 I2 U# p" h! B5 E0 C) Q
,...,x
" ]( q7 D2 A4 K1 ]- q: ~. [
N
7 W- m1 m0 W# f9 ~. U
% E( p4 U Y* w: g/ a
)
& s+ F x! w9 d5 C, U+ J
T
* f9 S/ X7 c2 G9 G6 q/ x5 G) h
各分量的平方和,可以对x \pmb x
/ p" |; N) B: `3 \- Y
x
$ E. Z" w* ?! J. Z
x作内积,即x T x . \pmb x^T \pmb x.
8 G5 v/ j4 b! ]- W
x
- O4 z+ Z: u; C6 j) y
x
& w2 C1 o1 h, Z( s/ D- l0 r7 Q
T
. u9 O9 r& ]& C' O6 U/ e
+ z4 b4 g" z, b, M$ m' U$ S
x
4 ]+ k6 r5 |+ t# Q; ]- Q1 q
x.)
9 J* Z4 O5 ^6 }" R4 ~
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:
7 j/ g! z) U& d4 ~% J8 m
∂ 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
+ m: l. S1 F$ F; e5 I) J/ ?$ b
∂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
- |) e+ s' J% d3 v2 o' n- R* s7 i
∂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
9 p0 Z( Y" C+ ? C- d8 d
∂W
$ T' z3 h) N! ? X, ?8 q' T4 C
∂L
9 V+ ^, ]9 o) O, H h
* A2 r9 @- U: a9 o& w
8 Q2 M$ |. A2 b9 l' E# B% \2 a
$ [2 t$ f2 K& |' w% X) N
) k# S- T/ c$ J! d
=
. J: I) R' ?9 x8 B4 S4 \
∂W
: M% N( Y, ?! L3 r
∂
5 s/ Z8 D( g0 `) ?0 ]/ _8 [
( {" D3 m5 o; d- h0 y
[(XW−Y)
- i8 e* J$ s3 K% n& z
T
4 V; `" n# r! c. G
(XW−Y)]
1 `6 F3 }/ s6 H% T6 ^
=
' u& \7 f+ H( A# W; O* q
∂W
: R( B$ v7 I+ A) ~& U( j' F
∂
" H+ X8 y( _6 R8 S7 `
8 r. v% p: G b& G) r
[(W
* b6 p# }5 b1 z2 A/ Y! D7 y: d
T
7 P, A3 d( q- W: h, p# H
X
% Z5 `( w+ f: L! R
T
1 a0 h/ a- s' V0 ~# m6 K
−Y
) e! P/ x1 {9 ^
T
. f: t3 s( {! X$ Z" ~- w& H0 N
)(XW−Y)]
% l+ ~2 q# C5 {1 m8 E" A. C. U
=
. ~$ o0 t9 w5 W# O3 J: j/ K
∂W
" ?" s m/ p) m+ g" _
∂
$ O6 t' C7 l* ?
0 d9 Y+ m$ o/ c- a: d
(W
1 X8 f5 D7 }( ?2 S
T
: U4 d$ ?& I' i
X
' B% n& l( y+ [
T
* H% I5 O+ I9 i. b4 s) u- {; ]$ z" {
XW−W
( w8 z9 I7 B3 ~
T
) b, ]* N) ]( P1 ]: j% d
X
6 n, M* G& |9 a' \0 n9 _
T
: n# c: c% S- ^
Y−Y
6 X B/ e$ P7 X) Q) n2 A
T
1 T$ U+ t) h J4 ^* k+ O
XW+Y
. n3 Q( v, P# X0 M8 k# B& y
T
8 _8 T* ~1 G/ c8 w7 V1 L
Y)
3 N1 A# g' Z' w0 g+ z# z8 N f) e
=
5 [. U- `8 O: `& o
∂W
' ^1 M$ ^/ e( m; S! Y
∂
0 {) c& ^% V& i) K2 v# G R- ^3 \
! l0 u$ x* d7 ^3 f8 o
(W
* b h& W @0 V3 b5 D4 u
T
: m. Y% P8 f* S2 x+ J$ v, y1 w' R) K
X
% Q* K- Q+ @ [& U% {; X
T
$ `0 C @( x* `2 \* r
XW−2Y
4 N8 F1 i' K; _. r" d8 V
T
+ v) R9 S2 H: C* D
XW+Y
5 L) i) B5 I2 a4 l0 e
T
, T" w+ j) ?% R4 _
Y)(容易验证,W
7 i* M2 _: C! m1 H* r. Q- p* P
T
- m5 n9 c5 V1 q% E7 \) w
X
8 ^. w. u/ u5 ^* j/ a, d
T
' X$ x; e- _9 s5 U! f- D
Y=Y
2 F" Y% M* Z& e; @: z9 k
T
4 @9 o# A* d5 C6 {
XW,因而可以将其合并)
/ ^' m8 o8 u$ k$ N
=2X
9 M# |8 N6 |& O" u: g0 _+ v A/ T
T
. {% D7 r8 z* V
XW−2X
5 \% {* K# C' e& R ^* }- E
T
/ x2 r8 N( W4 J, g2 ?
Y
, J$ K- O0 T; Z
( q* S0 }! a; h2 O; p. V
; H" e b$ V2 U+ Z5 H
1 t# K; O8 o. Z
说明:
8 v# _7 j' K2 W/ y m! B; E
(1)从第3行到第4行,由于W T X T Y W^TX^TYW
4 m. G3 \) `- F/ t% f
T
0 ]: R) v \0 I; E! t. K
X
3 x8 N5 H9 a. U: ^8 g# ?) o
T
! P% `2 ], p) G9 l: Y1 I% C
Y和Y T X W Y^TXWY
- o) o1 V7 h9 g1 V
T
+ i7 P3 y+ a6 o6 M+ h$ C
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。
; U, i% ?2 D4 a
(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)
; I4 y" {4 J% J0 G
∂W
8 J+ w$ b5 m- _1 [, j8 g: w
∂
% x" f) K/ C; E5 c
5 H+ Z; V/ M+ q0 l. C
(W
# {0 A2 D" K& n
T
* B7 z9 \; u8 g* d- G. I. m" G# |
(X
3 Q* m0 f# @2 ~
T
6 b1 e: O9 v1 g
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
! z: X6 E! l G2 b9 b
T
+ k1 C5 Y7 a; m. H1 b0 y
XW.
0 U0 y. U& Y0 }5 s+ x
(3)对于一次项− 2 Y T X W -2Y^TXW−2Y
3 G2 N9 }! L0 ]) n' G/ \# \
T
# r6 R+ q6 }" o
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
& `0 H9 [: A! F+ a* M
T
) U6 X0 h( `+ F. V! K
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
% V/ C- |) {8 K! R
T
( l5 Z" e' y" E8 U! Y" t* e) e! z
Y.
# |( u4 U& Y o' ?+ S/ H4 |
. j* @2 ?. D) n# P- h" h
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 )
" @7 p$ T* g8 b m, w; H8 b
令偏导数为0,得到
& ?3 ?: K- p7 a, i3 _
X T X W = Y T X , X^TXW=Y^TX,
3 A. l& T. O/ i0 |1 R+ v
X
5 l% X. N2 j1 ^8 k: O6 x7 ~
T
+ P8 q$ O0 H' l* i, K
XW=Y
! ?# m5 @2 K! R5 Z; S6 @' b, m. y
T
. y0 @3 i/ O( H+ w& Y- q
X,
4 D0 E( {: S3 s9 N- Y; D
+ f% ^" F& C! G4 P5 \2 Z- J
左乘( X T X ) − 1 (X^TX)^{-1}(X
) |" [& J" w/ O
T
: z% S+ J6 ?2 I X0 I
X)
5 G! |9 W+ Q1 _# }. o
−1
& ]6 e$ A# j4 n/ F0 f8 S4 J( N
(X T X X^TXX
: Z3 H2 O' p! q0 Y+ j% ]
T
) V6 v2 W: q# z/ m% m
X的可逆性见下方的补充说明),得到
. y& L, W; l9 g# `- q- f9 p$ _
W = ( X T X ) − 1 X T Y . W=(X^TX)^{-1}X^TY.
$ p) f6 B& t) e6 p+ X2 j1 b2 j
W=(X
- X& |. {" i% @5 X3 E
T
% I: g: X; ?$ \
X)
! J/ R; I) [8 B" n% @
−1
' A8 t2 g+ b+ b8 r2 R$ f- T( R
X
4 X8 t7 [7 @0 w5 M, B4 E; H
T
7 }# Y8 m9 i) i- N' V0 b$ l* Z. h
Y.
. @+ q7 {# D! g- ?
9 z4 ?: H$ Q: h: Q
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。
& f( b0 e9 V# {, v- y
+ @/ a4 n9 w; F3 }7 O$ n; |- ^
'''
/ p# Y4 V) d$ r$ ^& b1 Q
最小二乘求出解析解, m 为多项式次数
4 Z7 T4 v) o' p* T: P3 B- o
最小二乘误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y)
- \; G0 e! b- B1 o1 C
- dataset 数据集
2 @2 D# k4 s5 @' X! R1 _9 ^# |# J
- m 多项式次数, 默认为 5
% N0 U$ Y, M! W" p: A! n
'''
; N& |6 l1 N$ v' H! Z+ ~! V% a, A
def fit(dataset, m = 5):
% r+ ], _9 {6 x8 F w: O7 O) U
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
- ?8 [) p4 s. R; ?
Y = dataset[:, 1]
3 A- M) R* f& M4 ~# i' n( [5 O
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X)), X.T), Y)
# A6 J% Z; S! k: x( v( l$ q, M& i4 r' }
1
4 o( R3 Z7 y b+ w) b& {; a
2
/ Y2 f$ Q) @2 s; F% H( }0 r1 ~
3
2 k j$ D3 P* b% N0 z4 q
4
& c- F9 |' ^4 e w
5
, Z7 @# F' V) x( B8 S( {0 J
6
6 j& N3 S! j5 A J. T- x* G0 p- o
7
& M2 p; g( Q& j8 ~; q/ c
8
$ h5 J' }4 D8 X9 P" ^
9
8 | T% z4 L, x' j
10
$ f( y; q. E% i3 l& c
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
( y$ d' k) `3 C5 }
1
0 |2 B! a8 W6 H; {) i
) f N( H: p3 _0 v) e# G. @3 o# L+ ~( T
,x
7 f! [' p) {. @1 B; C0 U7 ?
2
" ]& f7 O' I3 p6 x
- Y# ~) i- ~ G
,...,x
0 Q9 ~9 S- Z0 [, y' m. A: d6 @& P; n
N
1 U% i, t" @! F4 K; q" t
( W; H: U6 J& u! H
)
6 F+ i* u3 a/ ~% G
T
0 A Q& `" T( W0 g6 O
;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)
# I) }# j# N5 \8 d, U9 x' Q
5 G7 C& Q. \; P
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:
& V# u( g% J" w* J
6 U1 ?( E! Y# b; Z1 _! `
'''
! P4 t5 A& T/ n& L, c, Z
绘制给定系数W的, 在数据集上的多项式函数图像
/ M: o/ o0 u* u
- dataset 数据集
7 m. \ v& B$ \ } y
- w 通过上面四种方法求得的系数
6 S9 G+ v2 i0 O* t9 x2 e
- color 绘制颜色, 默认为 red
4 |. v1 G0 t( H* D) |
- label 图像的标签
# @4 Z8 c6 Q( I& e
'''
- u; o/ a0 K' i! t& i
def draw(dataset, w, color = 'red', label = ''):
4 E) ~- v% h! e! A" {4 u
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
; q- g" B8 P) X, c
Y = np.dot(X, w)
4 h, a$ z4 k5 [
0 Y! v: A. I: V1 P: k+ O
plt.plot(dataset[:, 0], Y, c = color, label = label)
5 z' i9 i4 N0 ?$ ~; h
1
( U1 C2 W1 A; ]. y R
2
8 o8 s+ u. y2 N* B6 w
3
: S2 N: x9 M# N4 T: \
4
, K5 q0 r% f9 D1 f, P
5
" r; a U+ r, E
6
0 V8 b& F' }( [% o8 H* }: ]2 Y# S
7
& ] C& |5 r6 u% w0 v& N
8
6 T+ C3 g' R9 {/ k( B6 H% g
9
- U7 @$ K7 A$ _2 g2 R
10
' R% q0 N" i; I) r7 k6 L) Z
11
' T/ ^7 I, q! N) H! _- Z$ B
12
. T% T2 J: ^4 p" T) T
然后是主函数:
' u5 Y7 |; I6 H4 a* |8 K
, @. m7 N/ r6 V9 @
if __name__ == '__main__':
8 s4 y4 _$ U8 I# m' ?; j
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
( s" c& u# M- P: R. m+ m# _5 C
# 绘制数据集散点图
T7 n/ F1 M. d9 {5 @! A4 v
for [x, y] in dataset:
) R1 D+ W" k# @0 Q. Q2 J0 h
plt.scatter(x, y, color = 'red')
# z. R( ~2 U& \
# 最小二乘
2 `! N0 l" U5 `# ]5 v. P
coef1 = fit(dataset)
& k$ S3 P$ @ N. w2 _
draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')
# m% X! d0 ~5 r8 x8 ^
1 [! x7 H1 l0 Q5 K" h' x
# 绘制图像
( P% I( [1 n1 \+ y8 |+ U. @7 p" U) J
plt.legend()
& {& c4 b3 P' y
plt.show()
" l1 Z( g' Z5 S
1
+ b% G+ W" |8 @
2
: _- }0 X! q* d+ [/ a9 t# j& i
3
. v# Q+ @0 }2 `
4
& _- X3 `; f5 f0 @8 k3 H, Q4 N
5
' J: q! c$ z7 q) E9 r, V8 h
6
/ t2 e. P6 b9 O) k; W
7
! ^. ]' h2 C" i8 V* E
8
8 `+ w; v+ U. m; E: j) C
9
% ?) j5 p9 [. V% Q( }: G! `" H" n
10
6 g$ t# M+ m, A9 Q& L; x& ]- }: _
11
1 [- c/ o; p" i8 \4 F8 |& V. M
12
' @5 Q) |) X2 e' w
6 D: ~* K. w3 z" e, }& i/ ]
可以看到5次多项式拟合的效果还是比较不错的(数据集每次随机生成,所以跟第一幅图不一样)。
. A/ x l, v# G! e
( e+ v) Z, c5 }. H# Y( U% X, ^5 ]8 n
截至这部分全部的代码,后面同名函数不再给出说明:
9 ~& V$ y" O" E% ~2 X6 j! Z0 A
& l: }. T- p1 I3 U
import numpy as np
1 }* l1 O4 S% R) `$ Z8 b7 z6 i5 z
import matplotlib.pyplot as plt
a( r9 }' k3 h4 q5 R
7 Q! |2 D$ X( n7 e7 ~, J
'''
0 _+ z) [ c/ {
返回数据集,形如[[x_1, y_1], [x_2, y_2], ..., [x_N, y_N]]
$ G2 E8 L2 H8 M) d! W
保证 bound[0] <= x_i < bound[1].
9 W4 ~5 F( E- R8 x7 y, R! V4 n9 ^ F
- N 数据集大小, 默认为 100
) i; q: x# [+ {7 o1 L, C; c+ Y7 D
- bound 产生数据横坐标的上下界, 应满足 bound[0] < bound[1]
% L; T( L$ }: m% r' W; |1 }
'''
1 u9 V' q& D' `( U1 m% T
def get_dataset(N = 100, bound = (0, 10)):
) D. c+ K& Y; o# @1 O9 r
l, r = bound
9 Q- p4 b' W7 k, z% A) T
x = sorted(np.random.rand(N) * (r - l) + l)
& F$ P7 X, D/ Y1 _
y = np.sin(x) + np.random.randn(N) / 5
& A- }/ R* t5 J3 [/ \4 r+ {% Q( E
return np.array([x,y]).T
3 T9 U" u0 m0 C5 t# C4 i* h; {
) v9 t& R8 K1 Q9 \
'''
, J! Z0 I2 |8 {/ q
最小二乘求出解析解, m 为多项式次数
- O( y0 s5 R" W+ Q% Q5 _% L# W
最小二乘误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y)
; Z( J5 ~# J* G& u8 K( B6 z+ Q) z
- dataset 数据集
+ b" H2 A0 A4 Y2 k1 m# Y$ E
- m 多项式次数, 默认为 5
/ T7 v1 `! C- Y8 Q6 A5 R( R
'''
9 X2 D+ E, o1 Q& r
def fit(dataset, m = 5):
5 R) i% o. E: |* w* y
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
7 i- D4 Z: }. @' Q3 m
Y = dataset[:, 1]
! U" P. J4 M: @
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X)), X.T), Y)
3 k7 J4 }. n* i1 {8 f/ \6 S* ]
'''
# A2 r1 N( i j) K
绘制给定系数W的, 在数据集上的多项式函数图像
' W6 A5 h+ p. f& b( g
- dataset 数据集
& Z6 N, | l) B q( Z0 [$ Q- P* Q
- w 通过上面四种方法求得的系数
. L* [% f2 f4 }5 i
- color 绘制颜色, 默认为 red
4 Y4 ^( y5 m' T! U* W7 V9 o |
- label 图像的标签
, H% u# C b- l+ x I; O D7 H
'''
* }0 T* a) t7 A9 g
def draw(dataset, w, color = 'red', label = ''):
+ k9 u7 P" L; K: r) T2 n% z
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
: W/ ?+ y; J" o# Y
Y = np.dot(X, w)
# f' z: ?! w" T6 a1 M
! M6 w9 K8 G$ U3 s5 T6 x4 r
plt.plot(dataset[:, 0], Y, c = color, label = label)
+ V+ S2 L5 y4 j y, A" R$ Q# ?
* g. h! W; ]. {! n1 d% g9 ?3 P
if __name__ == '__main__':
' {1 ^' @7 T( G( o5 t
# H- p1 x, m# V4 Q
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
) A2 R8 {3 T) I# W! Y
# 绘制数据集散点图
. Q; ^5 v& |8 p1 v
for [x, y] in dataset:
Y! N5 K9 B- `3 W: R5 U
plt.scatter(x, y, color = 'red')
& l& m2 L- q) ~, j; R
6 @ g0 W3 V$ @) x7 {9 [
coef1 = fit(dataset)
* U8 i; u+ C) e: C3 t
draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')
% j5 H5 t3 z9 @2 v" |( \2 }
6 A% V1 U m; I' d8 M; R
plt.legend()
. e. ]# P+ w4 A2 e1 Z
plt.show()
" o% _! K9 q5 i
5 ?5 c6 T: L) s+ V# s' ^
1
J% a* f1 {: t% y* ?( j) A
2
' E$ J8 P/ {2 U% ~6 G" j
3
& X2 l& K$ H! h {
4
9 g! \' P* E8 ?$ I4 p3 }/ R
5
# X1 L I5 A2 ?! \: M3 n5 w# {
6
* F" T+ r9 F/ B
7
$ h( M9 z7 G$ d* w2 {0 Q5 O) }' m
8
9 a" j5 g- y& m
9
! R# Y! }; W4 ^- j
10
; ^- P2 N8 A9 z+ P7 V& V5 I0 |& o. O
11
; c5 O* N& ]8 m- ?# k! R Q4 w1 P
12
5 h: {6 F+ o+ c3 H5 M6 `, `& a
13
: N# D$ T( ?9 W/ C, \, G2 T4 B, V
14
+ [, [- J5 ^7 l* K1 v3 z) g1 c' H; T
15
- [% Y5 ^5 q1 Q3 z
16
) i' H' Z/ V0 O2 Z6 b" {0 Q; h
17
. B5 o. R' n$ h, F' W
18
0 Y6 s7 @$ G/ m4 O: T; P
19
) |8 r9 A) C4 @
20
5 n8 P3 g: D( ]0 W
21
0 u& B9 @: k/ O: W5 ~+ `" X
22
8 t) t. s/ l* z
23
5 a- L4 T7 J$ a% W
24
) W0 }1 s5 Z1 f: J$ Z8 I- l
25
/ M7 f. ]# U0 `: T5 n
26
4 m4 ?, \ A7 a5 U- f& g# Z9 R
27
' O' W' z: }, c" u( @
28
4 K% {. P4 Z3 h5 f! P% S2 B
29
2 ]; k6 p5 S" K" V2 b& x, S
30
, m5 P; @+ {; y9 C& H8 D
31
/ w8 g: \+ O+ U; u$ _' q; e' P
32
4 D, {3 B: p! |# ]$ ^# B$ R
33
+ r7 P2 A0 q8 }* J8 r. ^& a7 T
34
+ B/ j! r Z3 s4 `' n' N$ P
35
+ Y/ \$ U- e$ T% o/ A5 c& r, w; }
36
; l8 e' d+ h* _: u1 s- d
37
2 k8 v. N( M; B' G/ U6 l- V
38
3 {" L. V9 U; ]
39
2 k0 V7 V. J4 ^* W
40
5 f; i" w% a7 [" _- A( M
41
& D Y' i7 ^- r! |6 \5 ^
42
0 W8 X& ~4 n' ?* D U
43
7 b: D0 r! |( q
44
0 g, B5 S, A5 d& F) `( L. w3 h" p
45
% V2 Q5 `+ j6 n9 z; U7 X& B
46
% @+ r5 b. _5 I& x' K* J0 F
47
* t7 `; n( J0 B6 V# U) g
48
- Y- l3 q6 K7 t5 V" C
49
. G/ W" k4 R, I6 R' Q
50
4 C+ F* Q$ V' y; k; S
补充说明
4 I5 ]0 X, T! S1 F; n, `
上面有一块不太严谨:对于一个矩阵X XX而言,X T X X^TXX
* @& q* v* _, V5 O2 R: O) ]
T
( W6 ?; [8 `8 S" `6 F+ 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:
8 G* t6 @" E. r. m
(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;
! l3 d Y$ z( i" S
(2)为了说明X T X X^TXX
( @; ~, F; Z8 _4 q4 G: O
T
$ x- ?1 }1 ^6 {4 x% Y7 O
X可逆,需要说明( X T X ) ( m + 1 ) × ( m + 1 ) (X^TX)_{(m+1)\times(m+1)}(X
5 U2 E# m# R' ]
T
# F+ l5 N( U2 M# u* h4 T+ y
X)
; L( s6 ^- `5 o3 G8 [) ?0 u$ `
(m+1)×(m+1)
+ j: j' ^4 c. T# ? O9 z# f/ ~
- R7 p2 z6 }; X$ j+ x3 P9 s
满秩,即R ( X T X ) = m + 1 ; R(X^TX)=m+1;R(X
5 Y n, f" J% c0 j8 Q2 m
T
2 |2 b: x4 L+ ~# Q
X)=m+1;
% L+ n# q; d% w
(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
3 s6 _) I/ I8 Y
T
$ s2 D/ m: k' ~/ ~8 e; X9 K
)=R(X
: |( f& c8 K) f0 ^- @3 i
T
5 K& t" y: K2 \& F6 W* e* J& |* i& O+ y
X)=R(XX
* W% t$ y! w2 ]- O4 ~* F
T
* A! x! c/ K5 u- o/ w0 w: p4 }
);
' U+ h5 R/ h8 w& S, X/ [! C
(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.
2 s; {9 F. u% Z% c9 L/ H
/ H+ z9 f( j5 ?
添加正则项(岭回归)
3 l8 M: Y) |; B4 V' E, f$ h- F1 l
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:
: M8 ~0 y2 ~0 {1 N4 ^ ?
0 m+ Z1 Z2 U. k7 r
if __name__ == '__main__':
& X& b9 a$ L5 w+ V4 z* M: b9 G
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
- o+ A9 F7 J0 C8 D
# 绘制数据集散点图
: m% H; g+ J% J# l* \; r, f1 W
for [x, y] in dataset:
3 \8 F0 e" _1 `. n2 o' @3 n
plt.scatter(x, y, color = 'red')
" d+ x$ Q3 j' z: I+ v
# 取前50个点进行训练
7 j/ S- M# ]& m3 \/ _! K# D0 Q) p
coef1 = fit(dataset[:50], m = 3)
! Y) R: `4 _4 B: G$ e! e
# 再画出整个数据集上的图像
) p+ o1 |- _0 j( p# C/ ^8 `
draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')
& r/ `' L3 v. M8 y u8 q$ D
1
. R, V Z- U6 s8 P' u+ k
2
2 E8 E& o4 e6 \: |- g, m
3
$ ]# N) [7 M/ o% S4 Y
4
3 H R+ C2 u" ^# ?& s
5
. w: j+ t& T( u2 a1 I
6
) r( g8 q- ~9 B9 y* c- l
7
8 Q$ h9 R4 G* u. D( ]4 i. W
8
9 E. R; i) O/ `1 F, ?$ L
9
: E G4 i/ ?' V7 \( v& F
, t3 K8 S2 d; Z) |8 e- |$ \
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
h4 V: p7 s3 O3 x# }; Y* B4 J
L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) + λ ∣ ∣ W ∣ ∣ 2 2 L=(XW-Y)^T(XW-Y)+\lambda||W||_2^2
2 Q* D$ I% I& }% A" ?* C- s W
L=(XW−Y)
* ~3 s. s8 `3 ]1 J# Y% a
T
% t* V7 J: ?" e4 q! A" e V
(XW−Y)+λ∣∣W∣∣
9 A/ h9 c, c) {! E# Z
2
% K N; T& V! u: D9 o3 C# i4 b9 z/ r+ F
2
0 D, w: Z; ]" H& l% w) U
# y( ^9 {7 w R- i, T0 s
* P. K5 X- D6 p Y
; T% W. h7 n/ Y! t
其中∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ 2 2 ||\cdot||_2^2∣∣⋅∣∣
: n2 u4 z8 s" h& K3 b7 T
2
9 ^/ A0 L4 o7 K
2
g1 u4 U: |+ R+ o
( r6 r I+ O3 z; f9 H1 ^# P
表示L 2 L_2L
9 c- y/ K/ Z5 q# R: w' Z
2
8 Z! O& x1 }- s+ E- X
1 v- k# d$ }/ d
范数的平方,在这里即W T W ; λ W^TW;\lambdaW
4 ~5 q& W t4 N7 `
T
* e. D, D$ w8 D& y
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
9 p+ F. J; s) F v% `1 Q
2
- `9 E0 U4 K' r
9 C9 q1 s9 ^! J: Q5 |
范数时),防止W WW内的参数过大。
: F# y( S, D5 u7 k- q# Q0 g/ `
+ g( \* x- k, M
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)
w, A5 O5 ^+ t
T
3 e; x$ X8 ~1 C( O3 q* p
;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
3 v; A1 z6 ^: n' y t
1
' i; h) i, j! }) N
9 a( t+ r& Q% T% _- b6 i% \
范数。
$ y' w( e( Z: i3 D/ G8 Y/ B2 C8 B8 y
& h! Y: S! V3 A) J5 ]( H
重复上面的推导,我们可以得出解析解为
& H5 }( s8 o' w& c
W = ( X T X + λ E m + 1 ) − 1 X T Y . W=(X^TX+\lambda E_{m+1})^{-1}X^TY.
5 {+ A5 `- A4 H7 z/ E/ v! y3 k% b4 P
W=(X
7 l8 p5 W( y, U& t ^, F+ G
T
6 G1 R6 R! N/ u3 @, H
X+λE
0 D, B N2 n6 I0 h! p' N5 Z
m+1
/ w2 r# O; ]1 N" m! w" ?- b4 \
D* G, w0 B6 t3 X& t
)
2 O5 j1 ]0 f0 U) H' A4 `0 A$ \& C
−1
6 a! \' b$ s6 H; k0 `
X
: @1 b" w' t" j6 {
T
1 f1 g" X$ j& B9 ^
Y.
0 Z8 p* |& B; @* K
8 M9 J5 V4 \- u" j( ?; Q9 p
其中E m + 1 E_{m+1}E
" ]# [- Q* j. E3 i8 c
m+1
1 v: I" i4 }! t" Q% ] A
% _) G( v/ u. F0 Y+ O0 J
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
4 C0 }/ \5 J ?8 H
T
- F6 W3 A! V0 @5 m
X+λE
" ~6 M4 Z. d8 Y K: ~9 ?
m+1
8 x. a2 B3 R5 R3 I
5 w( x- [8 i/ x. X! Y/ E
)也是可逆的。
2 J: I U* q' {9 C
8 ?. G! {6 J ]' F* D
该部分代码如下。
G" l! ]# g# y1 C, C; Z* p
) j+ @1 W, q& P; J/ I* \% n
'''
* X1 U" t& ~8 w3 s. n) u" b+ e( p
岭回归求解析解, m 为多项式次数, l 为 lambda 即正则项系数
! A8 h1 Y2 y7 u- e. o% k
岭回归误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y) + λ(W^T)*W
1 C) f- Z9 J: N+ D9 E# @6 i
- dataset 数据集
8 L6 s, ^' I) ?1 ?. G
- m 多项式次数, 默认为 5
& P% _# w% I) P3 H: p1 p
- l 正则化参数 lambda, 默认为 0.5
8 p& b1 C" k' l+ M* [: u9 S
'''
X) W P3 e3 U8 p$ [0 i
def ridge_regression(dataset, m = 5, l = 0.5):
$ X* \' Y5 e( q! r1 e' v
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
2 W+ l2 m) @* o/ g
Y = dataset[:, 1]
! [- |8 X6 q( r& ?& q2 s* V( S
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X) + l * np.eye(m + 1)), X.T), Y)
. h/ d+ |* a. j
1
& c4 n7 M4 [; S; y
2
& ]* F+ b- u3 b4 M! o2 q7 ~- J1 b
3
# c/ o# @/ k9 t( x2 v. `$ h1 ?0 g
4
' O5 P* j3 }9 J" p+ ]/ B
5
0 k1 l( Z Q# L! O( N' L4 f1 w
6
6 }: n& Z, t8 {- Y3 g l
7
. Y" z z: c$ S, o1 @* h
8
9 L6 h9 Z' H9 X: _7 l% l; [
9
/ M. B. C3 R1 \, b9 \+ J
10
" y3 ?9 s" i8 f& c, U
11
! f# f* m8 @" D/ }" m+ j
两种方法的对比如下:
. g, l7 E% |4 R/ d! E
& } ]1 l' I2 U% j2 N- C
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)。
% H* L/ N8 U- M1 t3 G8 }
7 c8 l# N1 {! F' r2 p
梯度下降法
4 [4 {+ y2 j! v3 ~( W7 Y$ _3 }
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
/ u2 U( ]6 {5 u' {) t& Z' F: q
x m i n = arg min x f ( x ) x_{min}=\argmin_{x}f(x)
: k) f9 o) l+ V
x
6 p4 G+ o3 J% _* f
min
% g2 {" J6 a6 }; J$ {$ }/ l* Q! y# O
3 |& m5 G5 p2 Y m- [/ [% |1 _1 J
=
* i1 `2 `8 H$ {- }
x
' b" S( N+ p* `1 Y/ ?
argmin
1 R$ T8 D! q$ N- S+ Q. W2 {9 s
^! E" E# ^6 u( a
f(x)
, V ^6 d/ W; r4 r, N& _0 l3 _
& o: D! b0 k& e1 \( N
梯度下降法重复如下操作:
' W- @0 S5 R+ S5 b6 @ V# M
(0)(随机)初始化x 0 ( t = 0 ) x_0(t=0)x
5 l, \+ l+ v \" B
0
; U/ p `9 H) e
+ n5 O( y! [& S" K, C/ V* k- `
(t=0);
* [- }' b! q1 O! m. f' d
(1)设f ( x ) f(x)f(x)在x t x_tx
7 |1 a5 d- K8 L+ G+ v
t
$ f1 z$ G, Y C2 a
: y; e, s# f. M8 j
处的梯度(当x xx为一维时,即导数)∇ f ( x t ) \nabla f(x_t)∇f(x
8 J! o a/ c6 w$ o1 r; j
t
; j2 a+ t+ D1 L; Y
4 L5 x. ~! `! _' C* r( g
);
1 }; ]5 {! G$ f7 w$ E
(2)x t + 1 = x t − η ∇ f ( x t ) x_{t+1}=x_t-\eta\nabla f(x_t)x
+ Y" D7 |7 Z2 a$ j* I4 v
t+1
( r# V& ^4 N/ k' k4 R1 F
" D, H4 K p) Q ?' m2 X
=x
! p: L4 w# d$ |, B, l B
t
) p0 ^: O8 L+ \+ H0 k3 W% K
. q" @. I& Z) g# i
−η∇f(x
+ F4 m0 O. |0 A1 u4 a5 J) u8 v
t
9 I2 ], w4 y, i/ ]0 e. {( p+ N6 V
. t3 j# a* i* s; s `6 B
)
1 l1 t3 C3 F! |1 B8 {2 Q4 d
(3)若x t + 1 x_{t+1}x
! N9 v2 f% i$ t A
t+1
0 z$ A5 _% \. o) ?8 O( K( O" |6 \5 c( T
6 B: b8 F% m+ V& c2 q3 b
与x t x_tx
m" g8 d/ H1 {- i6 @& `
t
9 O: o$ f; U; d# t
, X4 H" a5 h; B! { ^* ~
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).
- x) t6 z) b- m
/ b& k& [4 q D5 U) {
其中η \etaη为学习率,它决定了梯度下降的步长。
; c1 E, s* h# y" |
下面是一个用梯度下降法求取y = x 2 y=x^2y=x
5 ?; Y1 ^6 |# ]- F! g% a
2
' K7 A% p( e9 u; ~, r3 x- E* p
的最小值点的示例程序:
" F& Q; ]& x. }+ k$ t3 G
9 H( t* }" s) b
import numpy as np
/ |# n V. Y) |7 {# J
import matplotlib.pyplot as plt
, D3 }: j4 I* h! h: ^7 G F4 I
6 q" T/ g0 v5 h+ J( p8 ]2 _
def f(x):
, u5 C% A- M; [- |
return x ** 2
" l0 r- F! X5 U- ?2 p
) B- b6 M: L- M
def draw():
0 K' I* @4 T, M* R# `: b4 p8 n0 X/ y
x = np.linspace(-3, 3)
W) x" w2 P7 C% Y4 ^4 K h
y = f(x)
" A) z- b7 a3 d
plt.plot(x, y, c = 'red')
- Z" q8 p6 b G* v0 E% {
+ y- x: D% m0 z* F4 Y) t; h
cnt = 0
" g, f: c8 A; S# C0 ` W/ g; A
# 初始化 x
" ]; G$ Q$ F6 y. H1 Y9 \$ j" ~
x = np.random.rand(1) * 3
Q0 ~7 e7 K# V. h
learning_rate = 0.05
1 J" J: ^5 H, q) S! ~6 J2 |5 }- x7 @. u: W% d
e5 P- f* Q K6 N; _2 [
while True:
8 W4 L2 J3 u6 A8 k9 m
grad = 2 * x
9 X9 s! k4 s7 S5 I- p. V; W
# -----------作图用,非算法部分-----------
( O, g2 Q& }' r! S+ s! }3 N w; e
plt.scatter(x, f(x), c = 'black')
3 ?. d! z# l& H7 ^9 s# ]3 e
plt.text(x + 0.3, f(x) + 0.3, str(cnt))
- U) q7 @% C" r7 u1 v% p2 w
# -------------------------------------
' Z9 |3 k, F/ h: l6 g$ X
new_x = x - grad * learning_rate
& s; |5 l2 s) Y) o
# 判断收敛
# z7 S3 P0 o3 ~5 [' w7 |
if abs(new_x - x) < 1e-3:
6 d% O. r0 e& p# P( N" Q2 [
break
y: K* ^5 h4 r4 x
0 q9 _+ q# X; e6 l' H
x = new_x
1 ]! f1 H' ?( j' Z$ v7 _* j0 c
cnt += 1
: j9 w& r' c; z# \. s# r
9 r: S* a" y! e; Y
draw()
( o: i# q2 a' E" Y
plt.show()
) H, J- C0 i9 ~
4 \8 I* ]% W: a2 u9 a1 `7 k
1
( Z; G, O8 @, U; C& i7 S8 T
2
3 Z1 i* v9 a$ r
3
8 g1 Y! f- y8 u/ W
4
4 P% N, _5 V9 j' b$ `/ @
5
: v3 j3 H9 ~# r/ m, Z8 F# P
6
% {5 P& ^$ R4 B; x2 J6 ?
7
8 q. Q2 f5 e$ o$ y) M% B
8
" X% }9 m1 ?7 Y. @% j
9
9 x- M+ B7 p, e1 Q, H3 ^- a0 v
10
& T7 t( [- g: w6 G: ~
11
/ ^4 ]) @& n. b9 K
12
- A& Y+ `$ O+ d+ j% V: ^) {
13
% ~' ?- P+ p" `2 ~! f9 A! K
14
& h( w9 }& q4 ]% H9 B
15
1 @3 p! D9 x$ ?/ r& v6 K# x& `
16
6 G5 a4 ~. O: G3 |
17
) b- N0 q: { f% G1 j5 q
18
3 `, _. Q2 ?4 x0 M+ I
19
6 M, C. S: U' L
20
3 U/ Y! y" ], T' ?3 S* f
21
0 [3 K* U( k1 m$ ]+ s* U) T
22
) q% ]" i2 k9 X) W
23
5 B) [) }% z0 Y( m0 o1 A
24
+ p# z2 g3 Y' w$ R* ~
25
) E: U% s, a. R1 w5 m' u2 J& [
26
, D. d" a: }4 d/ {# P6 }7 [; g
27
; {+ l" h- P, k* k
28
* D6 K# ?5 F$ ~; \
29
% J$ r) z x2 B2 g/ v# R
30
+ @: {6 ^0 G8 K8 d
31
! H; N# T) y; z( }# G0 M% ]% t3 C$ L
32
: m& M, b" \: J( z6 }% {2 g: v) f
$ _# g- I9 t: R8 W# p, x
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。
. l1 c" R" U+ y, ^2 V
% k5 @: M1 ], T. a' c
在最小二乘法中,我们需要优化的函数是损失函数
4 v6 W+ f _1 A# g4 G2 q# Q, z5 g
L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) . L=(XW-Y)^T(XW-Y).
6 k5 n7 T5 w/ _9 P7 q
L=(XW−Y)
4 `7 Z* j. u, k* b+ Z3 _* B
T
/ p. q8 c6 }( _- N! l
(XW−Y).
; {3 B) k( r! `8 j. \
9 a* y) _/ h" ~& A
下面我们用梯度下降法求解该问题。在上面的推导中,
7 p4 @ M% f+ L6 A) }+ I
∂ L ∂ W = 2 X T X W − 2 X T Y ,
9 ^# h- I1 _% e- C
∂L∂W=2XTXW−2XTY
7 ?& Q$ y0 w, A9 b" z
∂L∂W=2XTXW−2XTY
4 ^! |- B/ g" z5 |) b) t
,
: i2 S+ b/ _6 J$ Y1 g9 U
∂W
, x. {' Q" \8 J
∂L
?9 P5 a9 B. U) r2 ?6 A3 H Q
0 R1 R% b2 ?8 Q( ^; P7 e$ O4 K
=2X
3 o3 K1 O4 j2 Y4 z* T) m! ^0 t+ I# C
T
+ i* ]1 `, s$ E9 c, `( ^
XW−2X
3 P( K1 G5 e# ]" w1 P; E. Y/ i5 S9 V
T
' U( L4 J# r8 l! } L9 C
Y
5 `0 ~1 A# |% S3 G, ]6 J {# I
- S3 x4 O3 X0 M H" h
,
) l% r* [4 ~- ~: c4 `5 ?# _1 B9 i
) N t! O( @, }2 l% X
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:
, X$ ?; Q) @$ Q* R
) l+ t( u+ `5 m; I
'''
6 Y3 R4 A, q* h( O
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
% a8 T. F1 G% [3 a
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
7 i' F% S' R5 q$ d" g% U# Z( R
- dataset 数据集
f5 D( W/ t6 b7 O1 L: d x
- m 多项式次数, 默认为 3(太高会溢出, 无法收敛)
2 s8 O K( o$ j) o! q e
- max_iteration 最大迭代次数, 默认为 1000
% c4 n- S& F* c$ T. q
- lr 梯度下降的学习率, 默认为 0.01
3 y) Z/ f' u. ^6 Y* r+ S
'''
3 ^( p2 }& [6 x! w C# G: B
def GD(dataset, m = 3, max_iteration = 1000, lr = 0.01):
9 ^) e" i, d+ G1 r# i1 B9 e
# 初始化参数
: g# I" U- @# m& y& e8 k) \2 r
w = np.random.rand(m + 1)
: i. b5 H; n! I; O m j. p
7 ]6 C, H' ^8 N5 Y8 D, B" S" O
N = len(dataset)
5 S2 I, x3 o. h t
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
( L% p0 p3 D6 E! b# M
Y = dataset[:, 1]
' L. ]" |7 j1 [
( p9 [( H, J3 b9 E4 f: U
try:
h( Q' t5 R9 x1 W! B3 G
for i in range(max_iteration):
% n! x( K# ]& J' p) m
pred_Y = np.dot(X, w)
5 T5 c1 n5 f l4 e$ s a; K
# 均方误差(省略系数2)
E3 ~% d$ }8 e
grad = np.dot(X.T, pred_Y - Y) / N
4 b8 L* z' X" @, Y
w -= lr * grad
5 i. |+ G9 } ~
'''
4 h! c: }# _! b- H. {# C
为了能捕获这个溢出的 Warning,需要import warnings并在主程序中加上:
8 I) M9 Y$ [4 l4 }
warnings.simplefilter('error')
0 X' R( m% ?, ~, U
'''
8 a) f3 n2 }) v" }' k; X: B
except RuntimeWarning:
, \% E/ x: T( b# v9 P2 h% a* R
print('梯度下降法溢出, 无法收敛')
1 a' g- h+ f2 u! `, X
2 Z4 S# p+ Q1 \
return w
/ ?" ]; M' A, M! E
2 e2 g$ _- Y2 z" g# n( ?5 J+ M
1
0 _2 M* ]$ N/ O5 V+ q/ C
2
% G. S/ u% B3 B
3
6 R* ?0 L# _3 z# p) G
4
. X0 r& N( O3 [
5
6 a- B: V4 w5 \5 z$ A6 n( i( L H
6
* w; w. _; y! g C# [+ ]2 x/ p" ?2 d
7
( |, k" A P b
8
. I) V) x% F* s6 A
9
4 g s1 K+ v' j; q
10
$ ~( b" c% R; B p
11
8 v5 L/ A, `. H" N
12
% U- g& _) E: o- L- N: E1 E$ J/ v
13
* E$ n7 u+ I8 \9 o
14
6 b/ J0 N% j" p1 D8 h
15
1 u3 Z; @- C1 q, P
16
5 S) {( z, M/ r0 G0 ~
17
! F1 {1 [5 [6 u3 @# h
18
. W* ]) W% X3 e! C/ u
19
- b; s7 U/ c1 w+ U1 N* l$ i S
20
3 d- |8 b' |3 l5 ]
21
+ s' z: e; a7 Z7 V- ]
22
, m* J% m; x3 D* c$ v; g
23
# \3 v2 ]& ^% Z/ R/ l/ D& A: W: R
24
$ U& i$ J$ y8 H3 B' J7 Z
25
. n: l! x/ B8 l+ o0 f
26
t" n* W: }' L$ i# [0 a) f
27
3 b8 j& }9 l/ D3 Y, N/ G" q+ Y0 z! Q
28
2 R) W% X' p/ o# S% i
29
' i1 Z& ?( ^4 k0 B+ }' b$ o; C- C) p
30
5 t4 d2 k; t) ^+ X7 n# p6 a
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:
, W/ n( ~! d) y% N4 `; B
4 x& Q* O" a: F+ b% m# T
: |/ A) K3 K8 w4 X9 l) {. J: s
共轭梯度法
" Y2 T5 W3 J1 _$ z2 z: L
共轭梯度法(Conjugate Gradients)可以用来求解形如A x = b A\pmb x=\pmb bA
. I \$ a$ z9 A% B$ w F& C
x
& V' t/ P$ B; d0 n/ L# v
x=
/ @* @4 Q- y# C, p6 S h0 F7 `
b
( B0 o+ r( E, m4 b' W
b的方程组,或最小化二次型f ( x ) = 1 2 x T A x − b T x + c . f(\pmb x)=\frac12\pmb x^TA\pmb x-\pmb b^T \pmb x+c.f(
: [3 Y9 |+ O" J( N/ d- x
x
7 F0 `8 `+ P. n6 ]1 d. `, @- S1 W: ~
x)=
2 B: J$ ~; i6 F& C: b" Z
2
+ e/ W6 s1 w; I6 V' E
1
0 d4 [6 u; i% h) P" \# O$ F
* V/ g. |8 p I# r, y
8 ~. ~6 J" @ K3 d
x
- v6 W) {1 N2 b5 X2 s$ L' d8 v* h" w) N
x
9 F8 a- J+ u; _" |. e
T
4 ]5 U q- f8 N" S
A
Y1 D) A( o7 P0 K* b( q
x
' a; C1 Q- D$ O$ f. y- W2 M2 r
x−
& R l! Z: A7 W5 j6 h
b
2 v1 j; `2 i9 c3 g7 E
b
q0 ~. u: @5 K
T
4 @. m5 L. W2 U8 i/ P# T
* u' _+ q! a- U- N- [
x
0 i' D. I" F+ I
x+c.(可以证明对于正定的A AA,二者等价)其中A AA为正定矩阵。在本问题中,我们要求解
* i& I! u* z) d
X T X W = Y T X , X^TXW=Y^TX,
4 O9 e0 k6 A1 U) I0 m
X
0 v. i! u# ^- l) A8 K: \
T
. ~ f! v: A" p, s5 H' {( n: |/ ?
XW=Y
; w6 C& z3 b( P; W) c
T
0 t. h( ~) y+ j, M
X,
! R7 C7 J! x" }$ a% ^
% e S3 i- v0 a6 X' r& Q4 _
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
, F9 e) [0 A9 ?$ I7 p
(m+1)×(m+1)
) Y( }$ K ]9 p% X' [9 [
& Z/ `' z( F: O& e
=X
2 x7 F* G" C2 s x* Y/ X9 @6 p
T
& O0 c( g5 V% {( j3 \% A
X,
0 J: F9 }+ U- y; d
b
7 ?1 s' Q0 I# ?% w* c0 R- R
b=Y
* f$ t$ f: W2 M @# J7 J
T
" A% q( \' G" u, H
.若我们想加一个正则项,就变成求解
' X8 w. c9 j; v2 j/ i) F- _# G, B/ m
( X T X + λ E ) W = Y T X . (X^TX+\lambda E)W=Y^TX.
9 V% R! l( W7 [* i
(X
4 f7 n" [/ y& ]
T
3 \) O+ J( `3 c: e
X+λE)W=Y
7 A# T- z' M5 D
T
( v, S( e+ n4 E% t4 m5 N" U. p/ h
X.
$ M1 g* }8 z0 u e
$ g+ X/ m9 n& B
首先说明一点:X T X X^TXX
) ^9 [0 z% P, G1 W6 _
T
2 _4 r2 B0 j7 `- L# @
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
) H( [9 |5 j( r
T
, Z* |( F0 `- q: n( F. u
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。
8 b5 l$ |# _9 [+ P; I* ~9 k
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 @! m8 ]. ]( N. p& A7 u7 t
, E1 M9 j2 m3 m- P U& Y
(0)初始化x ( 0 ) ; x_{(0)};x
1 d& ~) P9 a* O5 V$ D2 l. {
(0)
1 T: b! c: V) E" U% _
7 N' [2 z4 N1 S4 |9 ]
;
p$ X4 I) {! R4 X# w+ U- {; k! K2 o
(1)初始化d ( 0 ) = r ( 0 ) = b − A x ( 0 ) ; d_{(0)}=r_{(0)}=b-Ax_{(0)};d
& x2 |" w; K" l7 D9 j: Y0 w* k
(0)
$ e( @6 K. T9 g$ I# g
4 M* P7 l* R e& O; ?- M
=r
. J. H# o/ E- w' r
(0)
6 t( h7 P' N: s
& A; Q4 _, w, D
=b−Ax
* p" U, n# O( t8 N- v: y
(0)
/ P- r5 u( i+ H1 s& x1 j
7 K: ~1 \8 q4 W" } K
;
. C$ \ z9 g: k! p! y
(2)令
" T& d$ {- Z" ~
α ( i ) = r ( i ) T r ( i ) d ( i ) T A d ( i ) ; \alpha_{(i)}=\frac{r_{(i)}^Tr_{(i)}}{d_{(i)}^TAd_{(i)}};
: r- _ u5 E, k7 k" W6 ?
α
: Z9 s, H2 D9 v m- R' D) x
(i)
" T# ~ X1 c; `# j' ?2 x
+ {$ r+ U5 U p! Y, ^2 V. B0 S% U
=
6 W5 k4 Q9 W8 b% q! A5 m
d
' @& s& F( l) v
(i)
% b' l; N7 l& R5 P2 p' J
T
$ r# _6 ?% ?, x' _
$ }; ]' j( J% |7 _
Ad
5 s/ j! J @" J# H3 f
(i)
6 G6 P' q1 x% X! C. K! u7 B
7 Q8 m K+ M) l
* @% [* }. q& i0 K |. ]" w2 ~
r
6 w* Q' g2 H7 `4 U9 O- Z
(i)
/ o2 U. M c# W) m4 t
T
% [: R/ S# w5 R# |2 S, ^* q
4 o( m* _& j4 w
r
8 ^5 n8 C! g; k3 x( L
(i)
3 ~/ X2 L. m, F- H1 V' q
* N3 O/ F6 q+ i9 m( H3 J5 u
* L4 ]( F, |% X! y' Z1 H6 y$ {
" F$ i& e* T! g7 m) P$ _
;
$ ^1 U" A5 e7 w9 h: i' P" {. P: d
* N+ H9 w' E/ s4 L5 r* N3 l
(3)迭代x ( i + 1 ) = x ( i ) + α ( i ) d ( i ) ; x_{(i+1)}=x_{(i)}+\alpha_{(i)}d_{(i)};x
$ S; Z6 {7 G% t) X3 t
(i+1)
% q( Z$ o% O$ h
- A6 S \8 M( G
=x
- N5 J% o' A0 @7 @
(i)
2 g' Q9 {. ?4 Y' H# F
! y8 L8 V4 a( p+ s' X3 x8 c3 [
+α
7 R7 N3 H( X4 Q, c/ ?
(i)
0 J- |1 ]5 u* s. G
# q& L) E+ F% `$ g
d
0 p. r1 ^6 v2 t3 ]# S/ o( Y
(i)
& e( r7 w, X' @7 Q B3 X
4 d& n! f: C* l' e9 i6 ~" j
;
% ?# b0 F P) x8 C# C% T3 |
(4)令r ( i + 1 ) = r ( i ) − α ( i ) A d ( i ) ; r_{(i+1)}=r_{(i)}-\alpha_{(i)}Ad_{(i)};r
d4 l% I, G8 e, |
(i+1)
, A, n% p6 m$ Y8 d
, L9 b) o+ b) q
=r
/ Y9 j" O" U& @- d
(i)
8 O9 L# M* b1 T* K [+ E" {
7 Y; u8 I, ^; g8 N
−α
# L. {. \. R0 R3 }) V. ]$ \
(i)
! I6 @9 N, R4 X* ~
! d3 f/ R q+ F: }$ K5 I( [0 \% i
Ad
; U$ @% z. T: T( K+ P7 x$ k$ S) d% i/ {
(i)
1 ?5 Z1 T' x8 t) J4 ~ C7 Y s
1 Z, G+ T# d$ v; C3 k
;
# t) O. O2 n, @+ u) ^
(5)令
% z1 J" P4 @3 c8 N* W5 q/ p; K3 Y
β ( i + 1 ) = r ( i + 1 ) T r ( i + 1 ) r ( i ) T r ( i ) , d ( i + 1 ) = r ( i + 1 ) + β ( i + 1 ) d ( i ) . \beta_{(i+1)}=\frac{r_{(i+1)}^Tr_{(i+1)}}{r_{(i)}^Tr_{(i)}},d_{(i+1)}=r_{(i+1)}+\beta_{(i+1)}d_{(i)}.
4 G& B6 F6 L* D4 P/ u9 O7 I* ~1 j
β
, {4 |7 y- N: r* ~
(i+1)
6 P4 y" \; p! X- Q
# m: I- @- o4 o" ?! s& d9 W/ C
=
* E- [- i2 j) c* W ]! O, Y
r
2 j7 ~& ]' g$ y# K+ t
(i)
( v- m$ v' ^7 G) n& c
T
" U+ }. E5 Q" X4 H7 g y/ w
, f" _/ C) }6 R$ [# V8 m
r
+ R# Z8 X$ ]) ?! V
(i)
2 Y2 ?) Z, O, ~6 @
m/ |' z& }1 b3 J9 ?
3 Q4 f0 Q' ?0 ~ E) p8 w$ Y
r
" r" q" [4 n% m# H5 Z" v3 K* t
(i+1)
5 H) D; J: K7 E/ S
T
$ u7 g- D- v6 J. E
. ^/ E+ K& M: g1 G
r
8 G7 H5 I6 u T$ ]3 \6 n/ K: I! r
(i+1)
2 n5 W+ b- X2 Z2 u4 i9 I0 S
/ t- E5 t7 r" u" H( L3 i
! G3 t/ a7 P# g; T9 O, x
' ]% n* L! ^* V$ w% C8 D
,d
. B6 e0 D/ |/ F2 m9 N! h+ M
(i+1)
' m/ e% P6 @' {) \9 }
! O, i3 _. D8 ~5 A, f, y0 k
=r
% T9 o; A/ R& h7 @ e& m0 G3 |: V
(i+1)
9 Q+ g- ~* f9 \% O6 l% Z$ H6 |- z
1 e' O3 y* a& |0 v: o& n3 r
+β
5 g9 c# y+ V/ g- L
(i+1)
" T" ]8 D% z* P. y
5 K d) b x# b* ~+ s
d
% H4 U$ m8 k8 Q2 h
(i)
; D5 m, [6 W- s- Z% Y7 D
5 q6 V* ]" D4 n6 b: I* J0 z% _) s3 `
.
8 }. h9 ~) a4 i2 ?) O6 M
* @& w& W0 f/ ^- u0 z1 }7 Y5 I
(6)当∣ ∣ r ( i ) ∣ ∣ ∣ ∣ r ( 0 ) ∣ ∣ < ϵ \frac{||r_{(i)}||}{||r_{(0)}||}<\epsilon
9 V0 M* b# u/ L" o
∣∣r
2 [( `+ V. w. |# q; j4 K1 X" R
(0)
& ]5 N l- ?* V; w! f
G8 C8 q: f. U {& k6 u
∣∣
. k+ k7 K: {# U# k% n0 `+ B' {
∣∣r
) p4 [* h c* ^# y$ |3 c, w# N6 Q
(i)
! y) f: u% \( t- C: F7 g
, G! F1 o' u8 L d9 J0 H, B! \4 j z
∣∣
% u& y3 G5 f# _7 o! g/ i7 j" Z1 e
/ L( T: ^; _- N
<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
+ s( C0 n" m0 d5 c3 k# A
−5
. a( j- F" F, s1 P* q5 y6 Y
.
+ A% y1 c8 ~4 P5 d/ a3 }
下面我们按照这个过程实现代码:
! `/ u) [$ _+ P
) h) ~: g3 H7 Z
'''
4 H) M# D8 Y0 a* B+ C
共轭梯度法(Conjugate Gradients, CG)求优化解, m 为多项式次数
V8 n" g) A7 W; c0 b, g, d/ d
- dataset 数据集
8 ]7 ^; N; D$ C+ w; [: D7 ]
- m 多项式次数, 默认为 5
: z; e- N$ B3 X: u2 q: U
- regularize 正则化参数, 若为 0 则不进行正则化
* d% t' |5 q% {8 v" B
'''
% Z$ s( M( T6 y( c; d3 `$ ?
def CG(dataset, m = 5, regularize = 0):
5 Y3 ~, B$ R* e+ f. S' D j& z
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
/ I3 Q% j9 S6 Z! R
A = np.dot(X.T, X) + regularize * np.eye(m + 1)
3 e. `3 j/ |, U$ l
assert np.all(np.linalg.eigvals(A) > 0), '矩阵不满足正定!'
9 E2 Q8 R" e0 U L& v7 @3 u
b = np.dot(X.T, dataset[:, 1])
! l$ t @% Q1 u6 t& ?0 M. {# m9 w
w = np.random.rand(m + 1)
' r7 H; A8 r; X7 N) ?) M+ @) c& R
epsilon = 1e-5
- \# X/ T0 `. _' x9 ^* t
# [4 i4 ?3 y2 |* r! G- R
# 初始化参数
7 {. p4 S+ }: [
d = r = b - np.dot(A, w)
1 e* t2 u# M, C3 P4 Q9 y
r0 = r
+ Y O! o# ?! B, F0 Q
while True:
4 D: I. y1 b1 n; U5 V( R+ `
alpha = np.dot(r.T, r) / np.dot(np.dot(d, A), d)
$ s* c9 Z( d Y5 |
w += alpha * d
! {6 @ W) J/ g+ l% p
new_r = r - alpha * np.dot(A, d)
+ b0 j9 V4 Z7 w
beta = np.dot(new_r.T, new_r) / np.dot(r.T, r)
8 F2 s$ }0 }/ ~3 c: N
d = beta * d + new_r
4 T* O1 s5 e8 c9 j
r = new_r
! V. x+ I3 s3 E0 p& L! I% h
# 基本收敛,停止迭代
( i v+ T6 R: Q; q4 O5 C: ?. a
if np.linalg.norm(r) / np.linalg.norm(r0) < epsilon:
& E9 B0 d1 H- u$ V! r: @
break
% }% _, q- L3 f0 Q- @0 }
return w
+ k7 ?$ z* O# w' a
, g" }* ~9 @, R# ?' T5 c. [7 ^0 s
1
+ p5 C2 u( D1 q* g6 J' i: X
2
+ n, P3 n# }+ b* n- q
3
4 U$ k, W" Y V1 d3 k
4
" V) b$ O8 ^( M0 s" C7 }' m" i
5
5 P% z* s& k; P
6
* Y; J4 V3 k8 q' s) D9 m; E
7
, O' a; x8 e- f7 S! P$ b
8
! T7 I# S2 F" s; A; V- W' e
9
v1 w, J; {4 O( F2 |
10
+ o; {" K7 D0 D6 Z
11
0 m" m( g& I6 F) j7 X
12
- L5 @, T% f/ G& e U- V
13
7 f+ E8 n' |" M" h9 d+ T6 ?9 W3 Z0 S
14
$ ?# X3 v4 o& k
15
. T+ o- Z' o" I: _* q
16
# H+ }1 R1 h B1 j2 C- r2 R
17
) X: ?7 `0 [, I7 Y4 V3 B
18
1 {- H+ F+ E' h* |5 D" Y
19
2 w# y0 Z2 ?& Q; t
20
' o$ R" J2 s* l$ S
21
; {8 C0 _6 Q6 y' I" P8 o
22
4 r( T1 b+ |9 ]7 H4 U+ ^& k% l
23
: E; l9 m1 o9 D5 T) E
24
4 k, n5 q1 h1 g T! T8 Z2 G( j
25
& s4 H8 v) Z6 z4 [' N7 B) a' P
26
7 K9 E6 f0 U/ a+ ]2 x4 N9 h
27
# n* D e' n5 q5 `* {
28
' ^5 m4 T# U3 v
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:
A+ v$ V8 r, q- N
/ ?8 t/ B) X. x: R4 p
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):
/ B( h D2 I% ^6 S
/ t; K$ x& W* {9 S8 g+ v4 w4 G
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:
$ T( P R6 f1 s# S+ K+ G: A4 q& `
$ N1 U g( [. Q7 p8 o0 F' q
+ q8 {7 ]2 V& Q- d
if __name__ == '__main__':
0 B0 j5 m% `6 d/ V. y/ J* ]
warnings.simplefilter('error')
, r" }- `" ^ C: z5 k) K+ \
7 q3 p; C% u5 a" U1 V
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
. c; p" H, U$ D) ?& X6 H( C
# 绘制数据集散点图
7 p @2 w9 B& R
for [x, y] in dataset:
9 X/ z6 n" V& |+ e4 _; B7 C9 f
plt.scatter(x, y, color = 'red')
' @# Y' {% n8 j1 {1 `
+ y5 `. p" U* C! k5 y4 {
( b: |( e+ q* r$ o
# 最小二乘法
; Y! Y9 l6 y. v( v
coef1 = fit(dataset)
* K3 ~9 |1 z ^0 U) U
# 岭回归
# G# L! q0 ]3 \$ d1 n4 @- r
coef2 = ridge_regression(dataset)
$ v& i! Z$ E4 ~# y, |7 V: j
# 梯度下降法
: K% h& {( |( a( a+ @
coef3 = GD(dataset, m = 3)
6 v* L3 {/ D' [ o7 Q( A( q
# 共轭梯度法
- Z0 M0 c* i3 M4 X& R
coef4 = CG(dataset)
4 g6 s- B V- U. G
+ m4 g, h4 d8 N& }7 s7 ^! d. a6 Z
# 绘制出四种方法的曲线
' T( e5 |2 n3 y8 M) D
draw(dataset, coef1, color = 'red', label = 'OLS')
6 M% M3 g9 Y" U' S
draw(dataset, coef2, color = 'black', label = 'Ridge')
7 j- Y' e) q) R A7 D% j
draw(dataset, coef3, color = 'purple', label = 'GD')
; S) M) G/ a' G4 X- S& Q
draw(dataset, coef4, color = 'green', label = 'CG(lambda:0)')
3 A1 s( W; h/ k7 h# w. e; c
. _8 h2 A) X9 G/ C' R( G2 F
# 绘制标签, 显示图像
( e9 M% ?# o2 W3 t0 L
plt.legend()
) G7 S; ^8 }1 b, ?
plt.show()
/ a- ?5 t" F- ^; n! d# q
& a- \7 Z8 C/ C+ U3 W3 `) f
————————————————
, _' L7 V4 L/ w8 N8 s1 o
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。
2 l' B9 I/ v8 j {8 w8 Y4 W
原文链接:https://blog.csdn.net/wyn1564464568/article/details/126819062
2 M, G& [" F* R( c* R
6 k0 d- ]+ C2 v* h& ^' g6 P* {
- E# ^) K( G6 T9 a5 M
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