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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
) F+ U- J ?/ M( y! w A7 F
6 I; G- f1 Y% V" P6 g
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:
) L x: k, y$ I1 d7 I) n+ T
' N* E. V! y: K% c+ i
import numpy as np
% ~( U# P ~$ g3 K2 q
import matplotlib.pyplot as plt
/ K1 ?6 l% R9 Q( E
1
. r# _7 |% B8 t: b0 Z
2
r2 h0 y9 M" @- W. H; h
本实验用到的numpy函数
" j! @3 O- d8 U! L N
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。
/ M0 E' n; A* v; x
7 g2 F6 X" w8 [6 Q G
np.array
% r$ }+ N3 |6 r4 Y3 Y
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
; J4 z5 T. n% x7 [1 s' `9 H# R
x
" z$ h9 I8 ^, |1 a
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。
' c, _' w4 A8 w- m
1 Y5 O% s4 J+ A3 g. }0 _
>>> x = np.array([1,2,3])
8 b$ |& W# }, x- J" v* ~
>>> x
3 W* C v" f B+ F) r2 d
array([1, 2, 3])
: X, F2 H7 K" u: V8 q6 [
>>> A = np.array([[2,3,4],[5,6,7]])
9 g, K8 R1 k0 n( n' \( d1 C1 Q
>>> A
7 p5 y4 j# _7 G" Y* L. X
array([[2, 3, 4],
: O4 s2 Y7 M u% l$ d; n' o
[5, 6, 7]])
9 ^, R8 n* M: W0 X9 F$ ~
>>> A.T # 转置
4 Q9 _% d1 u: e0 L/ o4 K! C
array([[2, 5],
" R( d* D7 ~9 H+ Q0 @# A
[3, 6],
3 D1 `. D" w# K1 j1 \2 T) R6 n
[4, 7]])
6 i+ G# e2 P& k3 R9 X
>>> A + 1
4 j- d, z7 G1 a+ L) j3 L8 F5 o7 w
array([[3, 4, 5],
8 x7 N. M3 d1 l0 w8 V! n
[6, 7, 8]])
: Z% u$ `; X% z0 U
>>> A * 2
) P0 L% V D1 i6 i, Q
array([[ 4, 6, 8],
4 i u1 H4 s: F' \, v" H
[10, 12, 14]])
5 N* T- G* E8 f$ t3 z6 V$ `& p
7 ?' e% @7 h2 d5 M
1
& l8 |! y. g9 ]# b( Q9 J# i
2
- Y# E( x. l8 ~( ?& o, t: Q
3
7 O; b* o$ h6 i7 v
4
0 Z$ |0 ?( u, N0 [& g0 P9 k7 o
5
# i; d1 X" `$ E5 s" J8 z
6
7 X- x+ s7 v, t+ b
7
; B% p1 t. `5 g- O- I6 k% n1 |. R7 E
8
- o% N1 V5 [) f: V3 v
9
1 j/ Q4 x3 _9 ]' [+ q5 x( K: ?
10
4 r" e3 ^" A2 i; m; d9 q/ Y, r
11
2 m0 ?3 b$ [" o( F5 g$ d
12
- D3 p4 |0 _% m$ N: d' o
13
2 ~8 q. ^/ g' `! G
14
! H( F" a/ d: `: U' ^8 ~' z
15
# W- e4 ?1 D) H8 n- V' |1 j
16
$ J* E! f9 V' ^
17
2 c7 Q* A# Z8 t R4 k: P: A E p
np.random
$ _8 t( l3 X L% Q3 c( }
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。
; f: Y* l* ?5 ^8 {' S: G
5 E- r; P0 a* j
>>> 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
! P1 T8 [" ~* q. ?% a& m
array([[8.18713933e-01, 5.46592778e-01, 1.36380542e-01],
) w9 ?! ^* d2 Y9 `6 K
[9.85514865e-01, 7.07323389e-01, 2.51858374e-04],
1 _2 P+ b* X. W1 {9 G9 H- d1 Q0 ?% h
[3.14683662e-01, 4.74980699e-02, 4.39658301e-01]])
) o! |$ a% r9 M' L( l0 _
% A, f& K4 B* }" Y! @
>>> np.random.rand(1) # 生成单个随机数
8 B: z8 u) d3 l( f; y1 K
array([0.70944563])
$ m6 C- T* ~ u" j) j+ o2 j
>>> np.random.rand(5) # 长为5的一维随机数组
( x2 I D/ e" \/ U' j" m
array([0.03911319, 0.67572368, 0.98884287, 0.12501456, 0.39870096])
" g$ k$ P9 q. X2 w: s) t, e
>>> np.random.randn(3, 3) # 同上,但每个元素服从N(0, 1)(标准正态)
p G* v8 t! k$ m; Z1 e R
1
( [+ R' ]% ~$ [: V. J B; U
2
! [. ?6 Y9 n4 f( ~( @7 S9 L
3
3 H1 a" k$ K% f
4
2 N& ^% X' B2 W
5
; D" i6 a5 z4 U/ Y/ e1 K
6
- r8 ]* c# e! y7 Q$ C8 Y, X8 r! s4 v
7
7 \2 _) I' o" J6 k( M
8
3 b# j, K2 y- f; I+ w
9
8 r6 A4 J0 N& \$ k- }- o" w
10
4 R! I$ w( ?+ n; w% k3 `
数学函数
* X* n; g K1 l1 I4 A! i
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:
* f9 m! L+ j: D7 r) Y& D4 ]9 j" S
1 [5 B) o' B3 p. K3 `1 o
>>> x = np.array([0, 3.1415, 3.1415 / 2]) # 0, pi, pi / 2
6 @/ h0 T' }* ?$ @9 ?
>>> np.round(np.sin(x)) # 先求sin再四舍五入: 0, 0, 1
- C3 a" x& T# i* }
array([0., 0., 1.])
5 b+ u! w3 {, B' v% G8 O
1
6 R1 L" M7 h4 B4 q
2
& l# S/ u, E; O# z
3
9 ?3 p# q: I$ V
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)。
7 n) y6 b0 \# R0 u
" p4 X; B& j7 f* b
np.dot
$ Z C8 q% d: [4 A% Z0 U
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.
9 n A/ J1 j/ B1 x' k; ]6 c
8 n6 [- M0 h/ O; X8 I0 c9 T
>>> x = np.array([1,2,3]) # 一维数组
! i6 _2 p5 e+ W. |' v/ r& ]! Z
>>> A = np.array([[1,1,1],[2,2,2],[3,3,3]]) # 3 * 3矩阵
! }2 ~3 l$ N2 Z3 W
>>> np.dot(x,A)
( l8 h2 ]( G+ f2 Z0 L( b
array([14, 14, 14])
3 I5 c* ~. ]% a3 M8 _
>>> np.dot(A,x)
2 k4 k4 U5 F+ x8 s( q5 j
array([ 6, 12, 18])
5 G2 u1 M. j6 w2 I
- n' ]* {7 w9 o: B4 `/ t
>>> x_2D = np.array([[1,2,3]]) # 这是一个二维数组(1 * 3矩阵)
% K6 y, E: O3 y7 P j
>>> np.dot(x_2D, A) # 可以运算
7 l5 r) K! H. @% X( a* x
array([[14, 14, 14]])
/ l- Q5 Q% H3 @" `) L6 B4 g* L
>>> np.dot(A, x_2D) # 行列不匹配
. a/ x: R* d) q* Y8 G7 ?, g8 _% F2 |
Traceback (most recent call last):
- D) D0 u. q7 c- R; Y6 ~
File "<stdin>", line 1, in <module>
, ^/ p9 v) j* H! X: \
File "<__array_function__ internals>", line 5, in dot
; D# w- E- X4 a# t
ValueError: shapes (3,3) and (1,3) not aligned: 3 (dim 1) != 1 (dim 0)
" W' c/ `5 C' q. X9 r
1
5 D: S, N2 y4 { N; ~
2
- I. T* G# P8 Y3 E
3
0 B) ^8 |5 S: j; ]4 A
4
. v+ H6 ~# L( U
5
# }' x/ C. a6 L! Z, z8 C, A4 P
6
: |- c- b( i0 z# k R/ `% m7 U
7
$ ^$ ^7 y& E2 w" J6 @' x
8
" S) b- L$ Z, j' D. U
9
; V0 m6 _* c$ @% Q, g
10
' U6 r$ _# L" T! w' x7 G0 w/ a
11
7 ]1 D3 U) Y. d( i
12
/ ?8 d ^) ?+ \$ d6 z7 d& o: d
13
% Q! O1 J5 i; G' y# c$ m
14
" @# W# S) |, |
15
- V( n+ C9 i H: [5 a; k
np.eye
$ d! n9 I2 o# |8 X+ s
np.eye(n)返回一个n阶单位阵。
4 k! y7 ]# O% j, u9 {" q* |) A
" M" T# U R. E
>>> A = np.eye(3)
( h6 e7 ^2 a$ X) I0 j# r0 |2 O
>>> A
; F2 `5 I: |% Y
array([[1., 0., 0.],
8 D% S" I& _3 D5 D1 e) C6 |
[0., 1., 0.],
) X. |0 D/ a1 Y2 U9 A. ~
[0., 0., 1.]])
. V0 A- K6 Q8 c7 {
1
! o( L) O5 k# R2 I
2
$ V4 i O5 Z' Y
3
. k! e5 O& @0 n6 y4 {1 U% S4 |) \4 J
4
5 E2 B5 V* U9 H* B( W0 p
5
! G* r0 B* t \- C8 ]
线性代数相关
5 P) t1 z+ D. V2 s1 J& n5 K
np.linalg是与线性代数有关的库。
" u7 a8 M/ ~5 h9 E1 l4 P
! A! {% \1 v2 e9 u- H! B8 N! j/ {: ?
>>> A
5 p n% ~5 n) Q; e" j" q) K
array([[1, 0, 0],
' L' J3 b! c! R J
[0, 2, 0],
" l. o) ^$ A7 Z& j6 f" {
[0, 0, 3]])
4 A3 y: i* i' A v. ~, {
>>> np.linalg.inv(A) # 求逆(本实验不考虑逆不存在)
( p( T% v! \+ b$ V
array([[1. , 0. , 0. ],
; N' ?8 P/ T- l0 P
[0. , 0.5 , 0. ],
# }" ] V( D0 O/ t; X
[0. , 0. , 0.33333333]])
8 }* b8 F! a( W* S
>>> x = np.array([1,2,3])
" R6 |9 t, F3 F( r9 c: X; T
>>> np.linalg.norm(x) # 返回向量x的模长(平方求和开根号)
. S2 F* u1 z, d4 a2 H+ P6 T/ A1 w4 W
3.7416573867739413
) M1 m6 q2 C% N9 b
>>> np.linalg.eigvals(A) # A的特征值
: g& n9 c# @5 F
array([1., 2., 3.])
9 A% h3 C `; J& t
1
0 i# e( E m: Z4 L
2
+ n9 Q( g0 s5 m) d& d* w
3
9 Y- r6 \: W" ^/ P: Z) K; h
4
5 L; j8 ?% Q5 A0 g7 S
5
6 z" Q: s; c6 p3 w, J3 O3 }# W
6
. o% V0 ?' B/ @$ F( E( u8 T1 m- C
7
' ]5 u/ p4 W/ S- S
8
/ t. ^7 S! A- [# ?2 M4 l8 b' N0 L
9
- Z, A7 c- [# N/ F w- R, r/ \
10
( c' F. ~4 F0 Y0 u, N
11
. ^ x% h8 a+ v
12
0 }5 q6 W, b0 o0 C, c7 a
13
% x0 d6 Y& x( U+ k( ~" v7 N# M
生成数据
2 _4 j/ v* ]" V
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
Q" U0 e% Z# w! }; _
2
+ Y- V% R+ P4 |2 b$ Z {2 k
),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}
* B2 ?$ [7 v; Z' y& m
25
' n' E; \0 u' V' G
1
7 i3 J- u1 j1 [$ j) j1 p
7 t. O$ k9 S$ i$ s. L
)。
) y8 z/ Q, K& O* u( H" w3 I
) I/ [ I3 w; ?8 \
'''
: x5 T' X2 u' ^+ _, }# L) X
返回数据集,形如[[x_1, y_1], [x_2, y_2], ..., [x_N, y_N]]
H2 ]. C- |" F1 \
保证 bound[0] <= x_i < bound[1].
$ w1 l. ~7 D" y* K! @5 V* Q7 u
- N 数据集大小, 默认为 100
1 V( r5 l: u/ `1 l
- bound 产生数据横坐标的上下界, 应满足 bound[0] < bound[1], 默认为(0, 10)
: |3 t9 U( w- N, g. ]% ?
'''
A) x' j: N3 u. Z3 H) g
def get_dataset(N = 100, bound = (0, 10)):
1 K* E; C" [6 P! r* W1 R
l, r = bound
, s) T/ ^9 v4 S' |8 i
# np.random.rand 产生[0, 1)的均匀分布,再根据l, r缩放平移
5 E; O5 T' c- ^9 c
# 这里sort是为了画图时不会乱,可以去掉sorted试一试
y3 `6 N5 b" _7 @
x = sorted(np.random.rand(N) * (r - l) + l)
- n! |6 h9 l. C. f) [7 B# |
3 J1 E! k1 r2 s' v& N
# np.random.randn 产生N(0,1),除以5会变为N(0, 1 / 25)
; } [% g5 ]6 J0 p, @3 P
y = np.sin(x) + np.random.randn(N) / 5
: N) c1 W& H7 w4 }) p" @
return np.array([x,y]).T
4 x: p* b6 \/ k2 t, q
1
1 x: m: e- G* l3 L
2
5 B7 ~: ]4 S6 o6 p% _' k4 R
3
. f! [& S! z7 y" J ~$ e2 j! n
4
W' [) H1 C7 I2 m' `; W4 I7 p
5
$ o6 A* g+ g7 ]# `8 W
6
" v% ]' D% r; O( I A- g
7
, k8 n- N) z' @ _& u- N8 j
8
7 H9 r/ H0 L, Q& i
9
- g( [6 S- l k1 ^: K% O2 _0 p3 e
10
7 I; ^3 ]- j8 @& y
11
`) B2 @' U! t% N& p
12
- Y( |- u& X @" r1 X
13
, Y; L" T! _1 {. t3 f. n
14
) k* [0 p! U& }6 s
15
9 I% R, G" D- `2 B6 N( O
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:
8 Q. ^- l+ a3 ]" [( N' B
& y4 P' K7 `% \. t2 a* i
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:
0 Y7 A+ j4 q. L9 u
! I) n- Y" I1 z, e: y
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
5 d! }& }* C. c" ^
# 绘制数据集散点图
, E6 s' h' A7 S# O! G G9 N3 r
for [x, y] in dataset:
# v, r% y3 V, \7 N. H
plt.scatter(x, y, color = 'red')
L q7 M6 `1 n4 w2 y: ^
plt.show()
$ O( b" b0 V* s1 ]- p* ?
1
3 L; Z! y! @1 B
2
/ r! C* T$ D A( T2 X. e2 a+ S
3
( L0 N2 L7 H4 X8 a- m
4
) Z& F. {3 D5 T4 y
5
3 L1 P, F' t9 d I% o9 f
最小二乘法拟合
Q D$ h6 |4 S& [3 }
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。
5 C* b2 j0 P" Z9 k' Q
3 J& N ~+ C+ }$ e1 T% R* \! y
解析解推导
d7 J! _) `; Z8 i" L
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
+ Z& y! w& o$ ~- j& K
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
9 R& }0 |; D$ h* M8 J H' u
f(x)=w
1 [- d" j* x, p2 m3 a
0
. A6 v# e# k a4 \4 A# ?- ^4 U2 X
. s a' e1 `6 l. h1 t% Q2 ~: e( M* q
+w
$ j9 s& X, F! i7 L
1
! W* A. F' F* H: H- P4 I1 J$ |
1 R. N1 V) P$ w$ Z4 S
x+w
4 l' G2 n' T$ r; F4 a% v) Y
2
* j- w! h9 C3 T* t
! }# J7 _& `4 K5 ]5 m( d) J/ Y
x
6 l& a* x5 K: i2 M
2
, K/ Z/ o- T* X% t. B
+...+w
" T5 E& J1 w( e! a
m
R# Q' N& b' {1 a
- P) L/ S+ u! z% k
x
+ \4 G$ c! e. b! h1 E
m
8 y7 ?; E- _' r( y4 W5 s. e$ j2 q
( w6 M# b, Q* U: t2 H: g
* q& q7 m# ^. F8 [- n
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
+ K f& R C( {3 X( @! s( d
1
; {5 K. }! H! @) _# i+ P# j* q
X* U, Q) A- E0 b2 N* |4 _' D
,y
7 k4 S4 X5 ?$ Q
1
9 ?) w: V+ [' M: O: M
$ R) o# X0 b7 P) @9 }& V" D
),(x
. | }" [4 ^ c: I
2
F0 v* G9 j/ P: F, I+ V
( k# C$ _* t. X
,y
: E. Y; F, o. H3 y) v* P
2
+ ~9 s* W1 D( N( K
& S) s5 `- s) m+ e) l8 f S
),...,(x
* z0 H, ^% {2 O3 U/ n, p$ _
N
: K' M E( Y, d/ G t
l O2 o" R u. O' p5 i
,y
( |0 l, h3 {+ j$ [: E
N
$ e- D6 h* m4 o- {" E+ N
! O, \2 J# I# R' _& T1 V
)上的损失L LL(loss),这里损失函数采用平方误差:
5 n. w7 X$ E) b o
L = ∑ i = 1 N [ y i − f ( x i ) ] 2 L=\sum\limits_{i=1}^N[y_i-f(x_i)]^2
1 o- J. K6 g1 y6 n* E6 g
L=
5 U& F' G& A3 \8 p$ k
i=1
]; X4 i% D0 h$ g5 q0 q
∑
3 w) A- P5 n( L; m
N
I& [# u5 w, _0 ?# E
+ }% K2 o1 [1 A2 }1 _" c$ v8 T( N
[y
0 Q. d1 J6 Y+ M) J4 s/ ?; m9 ~
i
+ H9 I# T, v9 S
2 N6 }# x0 U- ~, {5 _
−f(x
+ a2 n& y6 P: l# T/ t
i
$ U& ^0 X9 H* z
% `! ^3 m+ v9 j, H, N, Q. b
)]
# o$ ~1 w( X$ x& c
2
9 f) V U F1 ?- T# V
' V5 `7 T- [9 ]; Z* b: ~$ R
/ {% z5 `& Z2 e
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
|. q- R- q8 i0 R2 h
0
t4 J+ p# s8 ~8 K8 K& i5 Z
$ u8 Y& L: V8 T6 b) a1 a; ?9 r& M7 Z
,w
1 Y" l# p+ n# h4 \
1
: q& @, G" S3 h# ~, V9 \: T* }3 h
- I4 b/ h$ T- z) d4 M2 w
,...,w
- Z3 e4 d7 o% ?. q
m
6 a4 h* g, f. v/ U0 O6 O- p4 n0 W! s
7 R; a3 O. O! ]6 c/ i% x! r
,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
4 B K9 E$ f, e; e
0
" O7 h% _9 ^* M- s4 e# J8 A5 L
+ m/ P- ~/ Y, c1 n [7 [7 T
,w
7 d, v5 U) J" t
1
# _, P5 F- v# \
+ ], ^. V: ?7 R/ }* x/ @
,...,w
% w5 X8 @% i1 D, o" V8 |
m
1 T" \1 J; j# {& o! V, \
. G& J6 p \5 X% h
的导数。为了方便,我们采用线性代数的记法:
, a+ e, D1 z0 I! s4 H C
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=
% T' c( m8 ]* Z% s' a
⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜11⋮1x1x2xNx21x22x2N⋯⋯⋯xm1xm2⋮xmN⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟
- `) f! L% d0 w1 ~9 Y
(1x1x12⋯x1m1x2x22⋯x2m⋮⋮1xNxN2⋯xNm)
& A. Y6 c* Z: ]7 O: Y" f* \) |
_{N\times(m+1)},Y=
9 s P1 p3 g/ R& u, w
⎛⎝⎜⎜⎜⎜y1y2⋮yN⎞⎠⎟⎟⎟⎟
0 _7 ~# [ ?- K( w
(y1y2⋮yN)
# h( k8 g7 }8 e. U9 M' T: c3 m
_{N\times1},W=
7 W) Z' W6 `9 {, ]
⎛⎝⎜⎜⎜⎜w0w1⋮wm⎞⎠⎟⎟⎟⎟
0 b1 T+ V) R& g6 U3 Y
(w0w1⋮wm)
( d/ H; B9 b/ q" q8 b/ \9 r& y/ y$ R
_{(m+1)\times1}.
, Y6 P; }; T2 v6 ?2 f8 Z( H& P
X=
6 V/ m$ u! f" A& O2 o
⎝
/ u8 r0 Z2 V2 i. H1 }
⎛
( j+ r* b4 Y O+ z2 B O( d
$ G- B0 X/ e1 B+ [) u, x: Q
6 P h0 Z# q! E3 a
1
* K& X, k& Q$ T I/ a
1
& T) x, c4 r4 H/ u; {* g9 y: ?
⋮
9 Z* s [& [9 r
1
, |/ S& h2 V, ?& `8 g" m
. Z! ?! F* G1 m! A2 M
' t8 w& q* }! R' h
x
8 ?# e# {2 Z8 H# {, m) R
1
/ [$ E5 ^6 A7 u% ~4 q" e9 v
7 ^* g5 y6 i; Z( j5 y0 s
5 C9 q* N+ V' @( t
x
" ~+ M) g! v& |; }0 K
2
% L$ [+ B7 |( `' d+ E
! J2 ~, `( p0 c8 d
A) {9 x9 R6 z- r
x
3 R, g W3 W! l
N
o* z% b5 I8 G9 D) f
7 i4 z# U, g1 ~
( a6 `8 {0 D2 J7 }8 o
3 W$ _7 P. h ~( z: A7 }/ b9 P
2 U6 y G; b( i! W+ o
x
8 f# M- `+ t) ]- d4 @5 [: [+ ?* o
1
1 s) g! B8 D$ f) B
2
4 W$ q1 X& f, S
4 l. F/ v/ E& j. H+ G7 F$ X& j
3 R" R! x" E2 h8 Q+ j* Y1 f
x
7 d9 M o) p0 Y7 H% q
2
: D4 i# Q" g- e/ w( N0 i" t9 z5 Y- K
2
. P( K- ]* I+ C& M. p0 |7 N
' k% c/ d. B+ k2 ?
+ U; g& q6 m- X% F& v. y2 T
x
% o- e$ v9 b% K0 ?6 Z& J$ I
N
2 I5 Y d, ?: \
2
. Q% Q+ L8 q! I6 R
6 ?( \9 ~. A& \7 d3 v9 w
2 e C% c4 i; V1 Q( d' |
1 A5 X/ o: k& i. J
" ], ^7 }1 [8 K) t
⋯
% p/ q3 A1 ?9 }2 u+ o
⋯
- U! r; m( W! s$ `: U7 ~
⋯
* O: X% @" V" B0 n ]( w0 ~+ i6 v
" x8 @9 u( F/ H# U
) F) C1 F" D$ g! n* _- K \
x
3 Y# s2 O# a9 Q- P; |9 y
1
0 a4 N* r7 p) `
m
2 d4 g, F2 q: O/ a# L
3 O. R( _1 P# t) ]+ u
4 O3 z. p+ @/ v
x
" K. K; T( Y% e* q) u; v
2
) `; u+ z# _7 L. s" T O
m
+ {/ X: A6 C4 g1 x4 H
; O! V+ g* N9 `/ x$ X$ D2 ^
% k& j8 ^6 i0 U1 @6 j1 z1 f M: G& e
⋮
N$ _% G" Q2 _' g' s
x
8 X9 J' c4 s# J: d: a" R
N
) k8 R, _; N- c4 T o
m
0 Z5 V h: K$ s3 C* ]+ w9 D4 r
/ ^ F. ?; X) `
+ G$ T; M( V' D2 H8 T$ Z
1 a5 P( j7 I" V7 L
% h1 }4 {) d8 @0 O9 G7 X
⎠
2 m6 w' { c1 x4 \7 G2 [- f
⎞
- ^3 t% M; [- O: T6 m0 V. y3 K+ |% h
* _% f* Y2 u, ]% T' h$ U' h
( p# t( e( W* p- d0 f
N×(m+1)
1 d, f8 N2 D" l
( u( d8 A' l/ \7 u4 m( M
,Y=
8 T6 r' q9 z( C5 N4 r6 E; f" @/ W
⎝
- t9 F6 _3 |! f- r# ~& Q# Q5 S- Z+ E
⎛
9 ~6 e. a2 \. L. A( x; p
. N3 K8 M/ A6 n0 D5 c+ q/ K, w
0 L5 C/ y1 p8 ^" k2 K* y
y
6 r/ ^* F" Y: O
1
& S0 `+ u$ \1 r4 H2 [- b) w
+ T9 L. b j+ k+ ~6 p0 C
$ `5 P$ ~% t8 I' n, b; }7 R
y
6 w( l9 B$ H% R
2
* m5 f M# W' C5 h$ {! U) ?
4 G7 W, }; O8 I' v7 ^
7 F2 Q) s5 M; R$ ]1 i" }3 W6 r
⋮
+ p; r1 J8 ]6 }; d
y
5 K. Z6 z* M0 Q8 j, C
N
& C) D( S0 z+ z" n' n/ c" i
' X. e( H N5 c5 L0 _
- L7 k& w4 x8 j( Z% N
2 t) x! ^8 h. ]& O% @6 W) r& Y" y
9 R+ ?! U |( B
⎠
% |* @1 B( [# b9 G. ]
⎞
6 X; s7 y* O$ r0 Q3 G0 F9 X
9 v, C8 E! D! x. b( |
8 }( W/ S" T. j! a# z& D7 p
N×1
& W' j4 |# Z S# ~
. A. G. u+ E* I0 F7 m
,W=
0 T0 k Q3 f7 K$ W" \
⎝
7 _) {* H! `- _ v- P9 ]9 v3 t: l
⎛
1 e- ]" {; @% c3 U, G
: R2 a6 t/ {, O7 W" ^; s
/ s* W$ o6 P6 d) \% L1 L0 K- l
w
2 z. p+ ~' R0 _! `% i
0
* w6 K1 T3 A* y. ^2 q
. g+ V9 K9 }; ? V' h. M4 U
0 q/ C+ B% q) D7 e
w
1 K7 u# w) L5 u) X. X# T
1
w" i. _! r* k) N8 J
6 c# m. {0 r: u+ i/ Y7 `
5 `- k/ h! F" E$ |& v8 b. N
⋮
& D. x; h7 F7 ]$ j7 |$ {3 `' p" r
w
& J) }& W# c/ _3 \
m
- c" m, w4 r: p r$ f: g
3 ]: L, \6 ~8 ^( W
3 l" M' U& T) [( k. w/ j
( x4 i, u% G/ N
, z# {9 n# U' \+ F# X4 ^/ k
⎠
9 a& o& ^0 }4 N# l: p
⎞
% L" |# s' E' _
* k4 t, Z, d6 L0 b
2 z: t* A: _" V' M2 f& D
(m+1)×1
: _- S4 `3 b# D- C$ j, Z* I3 T
& t. p! U2 @. E. e: U# a
.
: t" g, U$ l' k7 W; R7 M' }5 O
1 h$ i* V% A4 B, A( v
在这种表示方法下,有
: h4 m. g( T2 B, s" t0 U+ e
( f ( x 1 ) f ( x 2 ) ⋮ f ( x N ) ) = X W .
7 w4 `4 k2 M# p
⎛⎝⎜⎜⎜⎜f(x1)f(x2)⋮f(xN)⎞⎠⎟⎟⎟⎟
- x7 n9 `6 M: W8 l
(f(x1)f(x2)⋮f(xN))
8 |3 N4 B4 b8 x- x$ l8 m
= XW.
: v5 l; P/ `( I6 @( c
⎝
+ C' s7 z1 O" ]# v
⎛
# q/ ?! {2 s! k
, Z k/ y# l! G6 R ?( e
& F1 b7 j$ ~& i; q
f(x
. G9 l( C5 \5 f
1
5 w# Q( w0 n! K$ b
8 l& P" B: X3 }. t$ X
)
0 s" z5 `! |0 R- g; t
f(x
: z7 c; S4 I U/ j
2
/ \, I7 E" A5 O8 Z3 c: w/ j
$ Q9 p4 R& L5 {5 G, B
)
3 F6 V1 t% ~6 V/ k
⋮
# s3 P! @. `6 R
f(x
/ N$ K! p, [0 ?( I1 ^+ e, k
N
( R% V; q/ q3 c6 p: V( \
% N) k2 \" _: d$ B5 D! ~. B1 @+ z
)
: }) k. {' s& J" d( b7 L
( q7 h( u& q. u$ E
1 n' N: a% K4 G. L
⎠
) @1 S3 `- }. X9 A) `
⎞
( }( M& Z6 C0 f0 ]9 s' i% e1 h0 m
( I, u, T+ |- _' Y3 |
=XW.
, [3 e. ~: I: Q& r" Q- r
% H* E, B! ]8 h( j$ n
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
1 u7 Q; S; @) V8 Z5 S+ O* W, ~
( f ( x 1 ) − y 1 f ( x 2 ) − y 2 ⋮ f ( x N ) − y N ) = X W − Y .
( p3 d k5 f+ b {9 { R" E9 r2 m, W
⎛⎝⎜⎜⎜⎜f(x1)−y1f(x2)−y2⋮f(xN)−yN⎞⎠⎟⎟⎟⎟
2 ]( h, d9 `0 z: Y2 ?
(f(x1)−y1f(x2)−y2⋮f(xN)−yN)
% |( N: e- G7 n, M
=XW-Y.
& a' D1 M1 L! h, W* b) {0 n: K
⎝
! a9 S, Q& C) q
⎛
1 Q2 a8 l7 }# S
5 s. @* h8 E. {/ L% o
; t7 ^- f+ p( a6 ~$ `: z/ F
f(x
7 D3 y! I/ ]. v1 D- w# p( c4 [) r
1
: V) c1 s5 `$ M
+ i% W5 {+ {6 f4 d6 V5 {
)−y
T) Z H% T- P# n
1
S5 f# F4 T/ W
: u# d/ {1 M8 q+ a) M% j
K7 @& o5 i% m+ B. i
f(x
6 z( I. ]/ e. A
2
( g+ ~$ X _6 I% j
: Z, T: ~/ W% z, W6 v2 N. f" g
)−y
+ h7 l9 e( }2 ?8 @
2
6 ? ]( W6 } [) t
8 J0 {6 h% p* T) ^
1 M% T6 A% l" z# m3 B) F
⋮
) f5 Z0 Y0 b, `9 ]: h4 X, z
f(x
7 b: J$ P' n- s
N
: l J9 f1 Z1 o; P3 ]; L
) Q5 U" @1 }( n& D' O
)−y
9 l9 ]7 ]+ M) [) r
N
7 m4 Y( T& t: n; z6 j
1 K/ A' S2 m* |2 z
; J* ~" A- B$ |0 x* U# Z
. c$ N" a8 f/ Q+ I0 n
, \5 x0 ?6 ^; T9 `/ \
⎠
3 x2 E( i. I. V9 }4 p/ K6 \2 u9 g
⎞
* C G3 z6 F# \) C M/ V
! K8 e+ R% |8 ~. p
=XW−Y.
) F* M4 s9 f- W
0 w7 f" Q& k$ {* B
因此,损失函数
! S' _0 [: `5 l- B' q b* Q
L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) . L=(XW-Y)^T(XW-Y).
, @4 o* {& ?2 {) C) q$ X$ @# d
L=(XW−Y)
. g! K2 R& d$ B% [1 L/ X+ X4 J, D
T
1 U4 U2 O5 A# Y, }3 f
(XW−Y).
. H- I( q/ U% S9 | X9 B& I2 A2 E
. {; d/ G* M, O& v1 k3 L
(为了求得向量x = ( x 1 , x 2 , . . . , x N ) T \pmb x=(x_1,x_2,...,x_N)^T
3 _7 X2 r& E0 q7 ]. l3 Y2 u3 X
x
% d: a: H) X- ?9 Y" @( {$ l: o
x=(x
- W8 E( e3 T2 ]/ @
1
2 M1 m+ j( g, c, P2 s$ s
8 ^0 g; t/ ~* g% q0 ^, M+ T8 d- B6 {
,x
7 i. {% ~. I* u% r; C& L
2
( q! J0 K1 {$ G$ X
% C/ W0 y) ^' \8 Q) h
,...,x
! W' Z% |2 o! ^0 k4 |7 n
N
) S1 v; W* V) X' Q6 I' C
$ u7 A$ g: H; ^9 q3 P2 D9 ^
)
# E& [( V3 i2 z7 p; C( e( c; w
T
5 \* g* B3 x0 F- P3 A, X5 V
各分量的平方和,可以对x \pmb x
) N9 h" a4 N* A2 X
x
9 q: O3 H) `; M5 e7 k4 G
x作内积,即x T x . \pmb x^T \pmb x.
% |# ~" {- J u+ O) P" c
x
9 D2 n. b& L6 h ~2 e
x
' I$ y/ X9 q7 G
T
; \: I5 z" m1 N* h5 Y
! o' i# M: l- g7 L3 S' [
x
1 M6 z0 Y8 P9 q, |1 f( k- _
x.)
+ a/ b: E; u* z4 P! S) I
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:
! M3 {- N3 S+ w
∂ 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
& G- i6 X5 T6 w0 W/ I! F+ \' d+ M
∂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
, n, g* ?9 z# Y/ a6 d. f! C" h# O
∂L∂W=∂∂W[(XW−Y)T(XW−Y)]=∂∂W[(WTXT−YT)(XW−Y)]=∂∂W(WTXTXW−WTXTY−YTXW+YTY)=∂∂W(WTXTXW−2YTXW+YTY)(容易验证,WTXTY=YTXW,因而可以将其合并)=2XTXW−2XTY
6 D6 L( {1 R- f$ D( p1 S; [% K) S
∂W
( x, Y# T4 R( o$ \$ t1 C6 u; E
∂L
6 r) i- P9 W# g1 U. u3 l3 e! D
4 V i @2 D6 [1 s- n3 Y
: m" N: R. k- \( @# K- }: C8 ~9 n6 e
5 _4 k x. E5 \0 O0 c: u5 Z
7 b4 B" o7 {2 u
=
M8 e; ?- b8 S* w# Y1 Q Q
∂W
9 l! F0 x6 i- h% G* `
∂
- {3 W% V Q2 ~) }- F u6 r- a
! r6 D) C2 u9 D5 Y' c: A9 f
[(XW−Y)
! K9 D6 s2 d3 t& i! Z
T
" R# V s0 R* t6 [
(XW−Y)]
! z0 d9 v5 s* K4 J" H5 G
=
, W' |: ^7 a( g+ \$ @( H
∂W
8 P" v8 s3 a' S+ B5 Z' K* ~
∂
l+ ]% w9 j) G, W( I
. Z# L8 N7 U2 b' g4 g" l
[(W
3 f* G. ]6 V' F
T
; Q) y' U3 m: P. G
X
) f. w! }$ p. F/ O6 g2 G1 z
T
/ K/ L6 b1 h4 l
−Y
K! ^0 J, p! f( R3 a& \. E
T
3 B3 V6 f/ V- J* o
)(XW−Y)]
$ z- ?/ X" V' Y w
=
& Y: G4 K$ G) S$ M% X @0 L
∂W
) R8 z" A+ { ^* v6 D6 Q3 w1 v3 \
∂
1 o5 k7 j/ B* T8 h- ~) d
& f3 f6 U# f3 ?' ^$ s1 S- O
(W
* G; i9 r' e& d. t# L! Q+ y$ I- w
T
1 |- N; s( t/ ?0 h& ^
X
+ l! B! u8 T9 T" N' J# p
T
' a$ S; F6 o% g- J
XW−W
9 u* O: q: K$ v5 k4 S. ~
T
; `+ l% i: Y2 K
X
6 X* ~8 F* ^8 x8 [( o+ Q* K
T
/ G) r$ k0 O0 L
Y−Y
3 S1 B' F1 _2 M; T* ~
T
: l" I5 k& w# z3 J) I! K N |
XW+Y
- q: F) i% ~. v$ S! t) _
T
6 u. y8 j. ]+ h1 G/ x+ Q
Y)
2 @ [" I: T1 U' V! M+ W& K+ J
=
, c& r$ X; H9 l; K
∂W
3 `2 f" e M# \5 C' w; A
∂
6 I5 m0 |/ J, C; s8 C
! x% y+ C* P) T5 e. O" h- r
(W
b5 O0 h5 J' T. a
T
3 W( j' e r6 q" ^2 Z1 G
X
9 u6 `) y6 r5 x, k; g% R, E5 i
T
/ K. B/ S4 O1 ?0 _
XW−2Y
9 U( ?/ a7 s) R! E$ C8 T7 `( f
T
! Z- C- }. v/ x! T& P8 C1 I0 E
XW+Y
3 v7 u( J1 o' f" B' Q# y
T
5 i, @. R$ f; R
Y)(容易验证,W
% c; u, T4 z1 m# w4 T; J
T
0 p. _, L: q' e5 u0 k2 R6 D/ q
X
% T. ?) |2 q4 _
T
( O! A+ [' Z) G/ p5 \
Y=Y
5 y" K$ o: o$ b
T
: \7 N/ U6 C3 B; T4 g9 h$ C1 v' R
XW,因而可以将其合并)
( f' {* Q+ H2 M# l
=2X
% u2 E8 F& e \2 a$ K) N1 o) ^! f
T
- Z9 a* z9 [7 ]+ `
XW−2X
/ F8 G3 }$ X% E: i" a1 l- e+ t
T
$ p+ w2 x E1 ?# S
Y
* h, _8 W9 C- }4 B0 |$ T7 G; w
( U& l& D4 q! h
0 S- k" G5 Q$ `) W/ O
% ?, m) B% @* \, p- U3 C; @' ^
说明:
+ ^, l' a; L7 ~" H7 D# W2 w
(1)从第3行到第4行,由于W T X T Y W^TX^TYW
7 j- \& @) n& i/ S2 J* J3 p, H; [
T
3 e! ]) |6 n) c6 @, F6 }
X
! v$ x. Y+ f% j, ]/ j# p: n D
T
& a O" s% L( B$ R& J) _* ]
Y和Y T X W Y^TXWY
% l$ v! M& u( I, r; \7 O
T
0 g& |6 |; n1 `7 u4 w+ s7 P) T% P o
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。
/ z8 @ F0 P7 U% H2 v1 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)
6 `, }; ~9 x7 M' E7 c) J0 @* V, @) ~9 h+ u
∂W
% v, g9 Z7 c6 @4 |% O# q
∂
3 A7 |- U' g( Y$ _
' ?8 l- Z" o# J/ h* F8 [% v
(W
* P) P6 u) I- C3 ^& [* g# F
T
( H7 Y% Q- Z1 t' X# w
(X
% K7 Q1 J4 [ ] p
T
! R/ o% u, ]& V7 D! i) ?
X)W)是一个关于W WW的二次型,其导数就是2 X T X W . 2X^TXW.2X
4 ^2 E: P$ Q$ U5 H
T
. `' k2 Z! k, l+ Z" M
XW.
& j5 f1 r* n0 y3 b% a% e* e8 D
(3)对于一次项− 2 Y T X W -2Y^TXW−2Y
& A2 t$ p$ |2 f# b
T
; S0 n9 Z7 H e+ u% ~( Y& b: _
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
1 U6 f h; T/ b; c! ~
T
7 J: { P: H6 c6 `. U0 S6 f( g
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
. @7 k) H/ L- Q/ N9 D
T
; z K9 Q+ N8 X+ g3 N
Y.
$ V8 R2 g7 x7 h5 \5 C
& g: n# g. c& K# ^
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 )
8 D3 G T3 M7 n6 q1 \1 q: ?
令偏导数为0,得到
R2 ^6 {1 P' h
X T X W = Y T X , X^TXW=Y^TX,
5 S) G& L/ H8 C! a3 {
X
6 K7 F$ h0 E0 a( q' Z" k
T
H/ V! D- d: Q" i" H/ U9 }
XW=Y
& N1 i, Z/ G& s* }4 o. Z% [
T
& H- B3 k9 I9 s8 }
X,
! S) [7 t9 K1 A, o0 h
& O) g, R T+ Z5 p
左乘( X T X ) − 1 (X^TX)^{-1}(X
* r+ `. u, m+ S- s% l0 \7 a( Y
T
' t" O9 }1 x7 e: C
X)
9 P; Z9 F7 D+ q- b
−1
; n' j# v4 x% G+ I4 H; b
(X T X X^TXX
8 K8 B5 o7 h6 r
T
o# d# O9 E0 }4 E1 [
X的可逆性见下方的补充说明),得到
@2 J @- V. f* l* b: [6 V- ~( P
W = ( X T X ) − 1 X T Y . W=(X^TX)^{-1}X^TY.
: ~- t' P5 o1 U: x# d
W=(X
6 T: K- L; a: C
T
7 g9 Q2 }# u3 S# |! e6 F
X)
; L2 I. j* Y8 T/ @+ J" i
−1
4 j& m/ [3 V" y5 R/ i8 |; m
X
$ V3 X+ z, s* M6 ~- T2 H; q6 W
T
3 S0 T H5 s3 h
Y.
* C5 J( u1 ]6 ~/ x7 ]$ @
8 ]# g/ }; X8 ?* e' C
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。
6 K8 d* o" W1 J7 ]7 l' y( c
9 i) ~0 C" ~" W- P- W1 p
'''
_% D s, V- t: f
最小二乘求出解析解, m 为多项式次数
1 {0 g3 P# Z; {2 Y" [& s& j
最小二乘误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y)
( ]0 U/ h1 V5 ?& n6 `
- dataset 数据集
2 p3 S1 u: o; f
- m 多项式次数, 默认为 5
0 [+ X: e4 o6 U: N; X
'''
& O3 V+ |( e, N5 Q, s* S
def fit(dataset, m = 5):
( x6 @5 n% X: O( s" |- h$ o c. O
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
' h! C7 Y J3 N' J1 B5 F
Y = dataset[:, 1]
7 M4 n* M7 |+ o+ E0 J
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X)), X.T), Y)
& A v: d7 U. H; P3 R0 l9 [( G
1
/ n5 A2 [7 `- o# G. p* X6 [0 J
2
" i/ O0 V3 @- i5 p- k2 p, t
3
* k* k. m$ |) Y' G
4
M! @0 O! M0 h/ Q: n' \0 A% z
5
6 @4 G: o, z( C3 t! C, [' {
6
( [5 ?9 L- N( q
7
+ ~7 ^! `0 M; T* L
8
( g) [; x- d) y' T
9
" H' L% [( _! G; m. i
10
, Y4 a3 i' T# s1 m; ~; E( X5 M
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
5 P r' c1 a. Z2 n4 j6 j) Y
1
8 {' \1 \+ A1 s# V8 t7 c" S. J
4 w9 K$ t2 ~. F3 l5 Z+ S0 N
,x
8 I- p7 b7 X4 z( _% q
2
0 ]% r5 g: l- {
/ {) {- ]0 L( D7 P
,...,x
( ?& s+ j9 j4 c& h1 R
N
6 Q, k1 n. E8 }: v' }
: M; |/ F' _- _* M
)
- ^( k0 u l T
T
* T) v. v( R7 Q4 c0 e
;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)
' ~$ ~' `' ]; r) J% g# M1 R* j" j
' D! n; |+ X2 o6 B/ g3 X
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:
; g4 v$ v# x3 r! J7 Y
8 _( n( t* x6 P: W
'''
8 Y1 Y0 M% c9 V' k6 O7 K, T# E- Z
绘制给定系数W的, 在数据集上的多项式函数图像
0 U6 b2 I% `9 M2 _9 \( K+ n
- dataset 数据集
* |# n& @# O Z% P
- w 通过上面四种方法求得的系数
3 S- q$ \! F' g8 a
- color 绘制颜色, 默认为 red
0 o7 b) P- w" T; H$ r
- label 图像的标签
* T7 d/ B" V4 N* _4 Z
'''
( K% c- t$ L- v: _ S
def draw(dataset, w, color = 'red', label = ''):
1 O6 k0 _9 r) l7 t% p& ~
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
/ B v. {7 ^' h
Y = np.dot(X, w)
( ?! q3 b" B2 h D# L7 w+ c
3 }' O) Z0 v( E, r' d4 U
plt.plot(dataset[:, 0], Y, c = color, label = label)
9 F5 \0 _3 o4 o
1
" w8 q3 g- _1 d* w; \8 u) h8 t
2
. n/ q* k" z! g t) R9 C2 k. A5 Q
3
1 p- T$ A+ g; Q3 k
4
8 V! z3 T) R" [( {# P$ }
5
7 J; y# ]6 @) c: C
6
1 b* g+ G% J* ]. |0 _
7
v, H. O' v# L) Q# P( }' d
8
1 ~' k& V- x# P) S% z0 f
9
- O% |& E! u }- z4 W! E
10
% ~) S5 h2 _0 e0 F% G
11
/ N# b8 d* w8 Y/ _' U* f2 I8 V
12
+ r, t; U" q7 o4 \8 b, {% `
然后是主函数:
8 @) l. j* S2 l7 `) L9 N* s
, F5 V( }) D6 P
if __name__ == '__main__':
. z# ]- O8 B4 s4 f" x) Q( @& S$ a
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
4 ]! b' B, z0 U0 o l) _! W
# 绘制数据集散点图
" o7 v8 ]" u- V' u
for [x, y] in dataset:
* [" t1 S e$ U4 F) B; U- n
plt.scatter(x, y, color = 'red')
6 m+ W) U* u5 ?
# 最小二乘
* |6 o+ D$ h3 V7 I0 ^
coef1 = fit(dataset)
+ V2 K+ R6 O% g, y9 _
draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')
7 B/ d$ L1 {7 R) U; V# Z3 {; Y
( E. r3 Z# t g% W) V# M
# 绘制图像
5 t9 T. [6 c3 y* O# M- d0 H4 H% C
plt.legend()
Y" t) K! L; U% n
plt.show()
' _8 Z Y8 ^0 |9 R
1
: d: C& E. R+ [4 R. g9 ]
2
4 ^+ a" H2 B; y
3
0 \. W( q0 H+ r% ^. ~5 t% _" ]
4
" i+ _, i U; f+ _# `
5
9 `' E* a: Y1 T; k- B4 Q8 m
6
2 W7 b, r- O2 R8 i% w& i
7
2 U- m# v* h1 P
8
1 h8 j9 \6 Z+ v8 V8 y
9
& N: O p p$ E) g6 |: Q+ Q
10
+ ~, p3 P( v8 Z& p, V7 t" o
11
. \& n' D& t; j* T
12
( ]( q$ ]5 ~6 Q8 |7 {) j
8 A6 v. D$ U6 p, P
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)。
5 d# C/ h0 P2 ~
5 S+ z9 l) s% s) n4 j
截至这部分全部的代码,后面同名函数不再给出说明:
, L* x" D' J" U( c* p& N
3 [9 w2 _5 E: y( v1 m E9 B
import numpy as np
. ^9 g/ ~( |4 x) ?
import matplotlib.pyplot as plt
! H' a m. a) r, ?/ D- L% t% O
- K- z7 ?" E+ n; N* {/ T
'''
4 @. k9 A9 y7 Y% Y
返回数据集,形如[[x_1, y_1], [x_2, y_2], ..., [x_N, y_N]]
: n- t; \1 }/ r8 ?) f! H
保证 bound[0] <= x_i < bound[1].
% J3 n1 F9 |7 X7 ~( k% D6 C! n
- N 数据集大小, 默认为 100
1 B% B* m$ p; }& x2 _: a1 K/ y" k2 X
- bound 产生数据横坐标的上下界, 应满足 bound[0] < bound[1]
, ^4 I" Y3 X. Z, F. @$ V, Q
'''
! Q4 g0 r6 E! P3 E! C4 ?
def get_dataset(N = 100, bound = (0, 10)):
8 b: B$ I4 _5 \/ I, ^0 d7 A8 E7 m
l, r = bound
$ v) k" g, z3 S; \4 ~0 D
x = sorted(np.random.rand(N) * (r - l) + l)
, }% v/ z h( f- n* M# k3 i
y = np.sin(x) + np.random.randn(N) / 5
% U2 G5 U* p H! Y
return np.array([x,y]).T
9 W, k5 Y7 d9 i& J$ [! Y8 {
& s2 Y9 X' h: ?
'''
9 L% S9 s4 C8 w- u; H
最小二乘求出解析解, m 为多项式次数
$ D% C; B2 a/ S9 ?+ i* I% O9 @/ H
最小二乘误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y)
' G! h8 A. \6 M8 Q
- dataset 数据集
9 G) G8 S; T& h
- m 多项式次数, 默认为 5
6 i6 R7 a- ~4 ^, C
'''
: r1 n$ i( d* l3 S0 g, p9 D
def fit(dataset, m = 5):
+ k5 t4 Z; y3 N& z/ N* I; K7 Q8 g
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
+ P! W$ u! q6 c* N( _
Y = dataset[:, 1]
0 v# m1 v+ I8 a8 I$ D! S) a9 Z' B
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X)), X.T), Y)
$ Q' f4 C+ i- n- A( l
'''
8 f( a q" H/ ]9 v6 i& G/ [
绘制给定系数W的, 在数据集上的多项式函数图像
3 i' D. @6 C2 f4 w" g. e
- dataset 数据集
1 Y- y q; O/ N$ T9 I {7 n
- w 通过上面四种方法求得的系数
2 K$ `1 d$ K, V3 ]* M
- color 绘制颜色, 默认为 red
4 w2 @' {! e) L
- label 图像的标签
( Y A) Q! z/ l- L& L4 `
'''
% P; M( g$ w9 Y6 G }
def draw(dataset, w, color = 'red', label = ''):
- u1 u; V( a5 \$ m8 m
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
8 n/ R' O2 v( s. Z% C9 a0 Y
Y = np.dot(X, w)
6 @% c6 e: r* B3 X/ W
+ P3 ?* @6 D N6 w% {8 f0 a
plt.plot(dataset[:, 0], Y, c = color, label = label)
/ g5 e0 {# J! S, D1 T2 A- R
2 B; G% h) g- a
if __name__ == '__main__':
) J2 R5 S( u, [
( D2 W! Q8 {) Y) C5 t1 M
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
$ m0 ?$ T0 U8 w7 a: o. F% D8 M# B
# 绘制数据集散点图
. K" I4 g5 E' P; }& r
for [x, y] in dataset:
6 `3 V D, k+ j7 Z" Z5 Q
plt.scatter(x, y, color = 'red')
- L% ~" Q% \+ F* O$ j
2 h2 C( v5 a7 Z. X2 I
coef1 = fit(dataset)
* \4 R$ n$ v; n0 {. v
draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')
# d; K" {( `/ s
" y3 m) m& ^# G7 Q6 W) O
plt.legend()
8 @7 K* w0 a+ V, M+ [+ S( Y. T
plt.show()
( \! V' K: @8 ^8 Q
) a0 M# G! E+ w# w$ A4 m- a
1
! `9 F* X6 _; v y z
2
! y8 D6 ^1 b. i0 c7 i9 X* n3 x/ E
3
4 i: X1 \. \5 N/ X! w
4
" b9 `! b+ T* a# }1 [
5
) R, f. |' v& y$ e* s7 V
6
l! R$ @+ m# R. _
7
# b4 j! R! E, C- l% l
8
1 Z3 d0 A9 @; q2 _+ q7 A
9
0 {" V V3 F6 L" ]
10
( e; c- ~# ^3 n' w
11
8 w/ h5 V) ]; h7 y, {6 G5 `
12
* V( w( \9 E% m1 [
13
- e; f/ v2 l7 L2 G; r# s) z$ U
14
% m# ]9 i2 a6 k, Y6 n7 M
15
% O- I$ g: Y/ H1 R% o' C
16
+ `; E, l) f. m) M
17
$ s4 b* ~4 ]4 d' z, z- T
18
0 J: ]2 {4 s, |
19
0 B! y9 J9 _, o9 t3 F2 g
20
# b" L2 t2 f/ N1 G% U
21
' T( Y Z {; i* H k) b
22
- Y6 h) h# H: ?4 z9 s$ O
23
' ?' T+ f: D& B3 d
24
9 R8 j9 q7 C' Q0 J
25
i/ G" r D6 J# ], u G8 e
26
. a: r) @& J+ p1 W6 @: c
27
; Q7 t, u) E& w3 h5 Q/ ~
28
& d- _4 B0 c* [" i
29
/ t7 p- Z4 k# i. s+ w) p5 ]
30
) ]7 |4 C! Y; x, r: A; w
31
, A) w) z ]2 f, I$ A) z6 B
32
0 w6 e3 J+ j- x" e* p" l
33
) ^) _* X& r# F' M" p1 i4 W
34
- `5 v# q% b; X5 L" k
35
! {: B' m' ?; d- u
36
, T8 C g1 Y: x
37
/ }; e( h9 O5 M/ h7 q
38
( `+ E! i6 ^7 {. Q
39
: S$ g6 j3 S" l& h% ~9 Z
40
# j' s7 x4 e/ e9 D; D! w& m1 v
41
: _" H5 K2 \; B
42
9 I$ s# @0 O% r
43
. Z8 O! t4 v( J5 q& F2 I( G4 A
44
" k+ ]& o% W5 x" m8 Y
45
5 Q+ r2 M' P" Z8 ~; ^$ k# J
46
: G6 u1 x d- q1 ^6 [* `4 Q D
47
3 }. z/ H- b! }+ p! j
48
- y' j* I2 X5 f
49
; V1 M- A: e. d" [4 q
50
5 [5 G3 O* W/ T% ]1 W$ W) V, ~
补充说明
% S: x6 A2 _" ~$ d) d9 z+ u
上面有一块不太严谨:对于一个矩阵X XX而言,X T X X^TXX
( g& L; j3 z t% }8 T8 M4 e& E7 D
T
# o8 \& T! G9 y
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:
( P8 b, R3 l1 o
(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;
' j# n# K4 y( Q8 l) Y
(2)为了说明X T X X^TXX
; k1 p% f" U( f! N K/ O" X
T
! c1 ~/ G) N' H$ d+ ^3 f5 Z
X可逆,需要说明( X T X ) ( m + 1 ) × ( m + 1 ) (X^TX)_{(m+1)\times(m+1)}(X
+ q# m# B# L* ?. a
T
8 H7 p/ j& J& X: c
X)
# r8 m/ j8 H" u5 O
(m+1)×(m+1)
) x- s# V/ T9 g$ y0 t$ L
1 R: h3 y! T* F, ^$ d
满秩,即R ( X T X ) = m + 1 ; R(X^TX)=m+1;R(X
& v( D8 U2 j9 F
T
- e, q7 R" l' B
X)=m+1;
8 m \! y/ k9 @+ P4 [ B
(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
! u9 e- m, R+ E! o6 `
T
6 `7 l# u% H0 ~1 `' ~0 K
)=R(X
% ~, ^& a# K0 y; U. }* J- r* p
T
( p7 E+ o; ?1 y+ o2 v
X)=R(XX
! l! K+ Y8 S, J7 s/ y9 ^. ] X
T
% j r) E/ ~+ j% _! C' h
);
: r3 ?; r. e: E" y9 E
(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.
7 M4 N' k. I3 i% C
2 @5 F! n2 q) O
添加正则项(岭回归)
* \- _" J$ ~ Y& S1 x
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:
! {, _- O9 P2 @$ H& N0 G8 k
8 w7 q: I5 @( T2 ?+ f; k6 K
if __name__ == '__main__':
! j9 w" g' s0 A4 k
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
) K% {* Q* I4 v9 n+ ?$ N5 S
# 绘制数据集散点图
3 q, i* }0 Q" X+ M' U+ ]
for [x, y] in dataset:
# [ F" i1 F8 w7 n; J) R+ X
plt.scatter(x, y, color = 'red')
$ B* D6 ]7 L7 W, M% `1 o# c/ ~
# 取前50个点进行训练
; ~7 \4 g" I* Z; [! M
coef1 = fit(dataset[:50], m = 3)
, G0 Q- O. V- f2 ~0 k
# 再画出整个数据集上的图像
1 {" x1 }/ A0 C9 E# H4 U
draw(dataset, coef1, color = 'black', label = 'OLS')
( f) C: r1 Y) O6 m( K8 q* |( ~
1
- L5 R) k' {9 x/ A
2
/ Q0 X2 ]3 d% C4 q3 J
3
5 T2 n2 h( x0 O3 B/ J
4
/ Z' u2 \" T. o& V5 U: G
5
% J [" A! k5 p! X1 Q! [
6
: Q0 d7 F" g5 G- P z1 s2 o: P
7
6 H C4 a; G8 S6 [5 `
8
f! |: {; a8 o6 H. A% y X9 o
9
! k( k, `3 F% O1 f0 }; k( M
3 _1 f: Q9 W: h5 l' Q! G* {" D- w
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
A9 H6 @( o Q9 L/ U/ M
L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) + λ ∣ ∣ W ∣ ∣ 2 2 L=(XW-Y)^T(XW-Y)+\lambda||W||_2^2
" D M3 [. S! B2 ^ V+ w9 R# t/ L
L=(XW−Y)
! Q' d' o' ~2 `! ~& O& U V
T
. m, g9 _4 u( o7 }- A/ M2 N1 S4 f
(XW−Y)+λ∣∣W∣∣
8 t9 Q8 O8 K0 B; x
2
( A6 u# }) m$ _- l& R; G. f2 V
2
; P3 G0 r/ G e. O' h" y
. V) J) I# r+ ~7 w( h
( t! E6 A8 V4 n% m* H) W4 j7 F
7 [7 V& r( s/ X6 i, U! d
其中∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ 2 2 ||\cdot||_2^2∣∣⋅∣∣
# ?& B7 v# O, J- G
2
! o f9 U1 Q& }3 k1 a* a7 ]
2
|5 i- ]& q! T" ]7 W* Z0 w
/ D; c0 ?4 A. W8 T* ]0 `2 q
表示L 2 L_2L
j9 B# c2 g$ b6 @5 C
2
2 s! K. K' k, [2 b
v) l Q0 s& X. x- {+ Z
范数的平方,在这里即W T W ; λ W^TW;\lambdaW
- A: }' G; |* {9 G% |! |9 x
T
: P- W( d/ A# k
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
% Z3 B, K/ j4 Y: {7 B" U2 g! }. ]
2
8 \! y |; ?7 b' X5 o$ l
) ^4 ]2 w9 x& `4 B0 @* V0 [
范数时),防止W WW内的参数过大。
0 a2 E2 s: }$ `1 c: N6 e
& }# f1 Q5 \! m, U- W. P
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)
# X) L, }; k5 s. b7 I; ?% Y
T
4 h2 P- X- p+ S/ q0 B
;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
$ s7 S4 r5 [3 \3 l2 B! d
1
! N3 G) |5 d' S6 K/ x
' r8 T6 j5 i4 Y- `- ?" Y& p- R) k* h
范数。
1 V5 d7 _, o0 B. k
. l) Z+ k9 Y+ H# T* g! @
重复上面的推导,我们可以得出解析解为
! B1 p' n% `: A5 j3 L% J6 U( F# o2 j
W = ( X T X + λ E m + 1 ) − 1 X T Y . W=(X^TX+\lambda E_{m+1})^{-1}X^TY.
& l9 `9 {3 B1 O
W=(X
/ k$ P$ t# | ~5 {5 B8 q: i
T
& w+ }; o1 V2 O" d% F0 X0 k
X+λE
0 x8 N/ {; y6 a c T2 b5 S5 t% ~5 S
m+1
/ ~8 U5 l( Z3 w7 X
- r; w) ]5 h& Q
)
2 A- d3 D: W/ j! [' j& T
−1
$ x6 @: a: v7 C0 n7 ?+ \- u
X
% V6 h8 _, \* E, l( x1 q
T
8 a( h: W+ F1 `9 W9 k, K7 l
Y.
7 b! ]) b! W$ J; Q) t. h: I! A$ ?
1 y9 R) w9 d" K- Q v
其中E m + 1 E_{m+1}E
3 @0 E/ z) g D& U5 T+ d
m+1
6 D. z. _& c! r- D; y# D
9 p$ o4 b3 d6 Z: U% y
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
8 X% H- e5 T9 p/ [$ ]4 u% C
T
# \: O% P1 P+ ]
X+λE
* B9 ^1 W0 M/ ~: [, O% ^" w+ F
m+1
- A8 z f, a+ N) r
& v/ l) d5 Z" Q' n. }1 Y
)也是可逆的。
8 A+ N$ |6 n" T5 J* D; t5 b
& L/ H' |1 S, |7 g. }: M
该部分代码如下。
3 ^4 F- R- G) o; q- [( B% B" n
" _3 x6 T9 f, ]
'''
& B* T' Q* M8 ~! y4 _- K
岭回归求解析解, m 为多项式次数, l 为 lambda 即正则项系数
2 Q _5 U3 _. V- o* C
岭回归误差为 (XW - Y)^T*(XW - Y) + λ(W^T)*W
0 H% E( ^$ S0 ?1 V( r- T6 @1 Y4 v
- dataset 数据集
' c1 V7 a2 i# q5 J" C6 \
- m 多项式次数, 默认为 5
8 j! [# l4 s4 |% d
- l 正则化参数 lambda, 默认为 0.5
7 a7 ]( A6 H& l4 [0 ?- d
'''
: A& U1 M; R8 `! I- ^
def ridge_regression(dataset, m = 5, l = 0.5):
& _( a3 w O. |& V7 ?$ u
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
* P; X- e) H! ?2 P! o
Y = dataset[:, 1]
: \# J4 d, O L' z% F- _! y
return np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X) + l * np.eye(m + 1)), X.T), Y)
2 L% K; {- F" n
1
, Z2 {9 g# ?# Q) H" H' k$ Z
2
, H! V7 z- N" n8 I/ U
3
" ^8 P$ u* `$ x$ }
4
# w' U2 d" p+ W+ I" l
5
4 l4 Z. T9 y. |
6
4 L- O* Z6 {4 {2 V! T
7
! v: }* E3 i- b' v- w
8
3 J! v3 b' F& C/ h7 ~
9
) k4 ]' R& x" A4 @. ?$ _3 i
10
8 c8 s+ @) I4 T
11
9 V+ f: z* C) W% o$ V
两种方法的对比如下:
. @: H& a) S |: r+ T3 ~2 B
; x6 |; b5 [* ~1 U! l9 I( x
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)。
2 L3 X$ E+ x( u3 U4 O+ R2 T( a
1 t5 c/ m2 W2 f
梯度下降法
( w! B- O; ~% e; U; L/ @; o' a7 Z1 }
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
. E3 v- y4 e, u3 H( W
x m i n = arg min x f ( x ) x_{min}=\argmin_{x}f(x)
, i8 T! E* k. \ i
x
+ t+ b! `$ U! S, `
min
* R0 G! X% [' P K
. E6 Y: D) F4 W6 M) D0 w
=
, d: {( v/ L. I
x
2 ~7 z/ j5 H5 R( ^/ r3 z0 U
argmin
9 X$ g7 L e; w; b
/ C* `: w2 g1 N$ c. h; I; h1 y
f(x)
" c0 J* q. \9 W
6 q9 H1 _* v# w: L
梯度下降法重复如下操作:
( w6 j% }) x5 L e$ O* z4 X0 t# Z
(0)(随机)初始化x 0 ( t = 0 ) x_0(t=0)x
" r: H: p( Q$ x. U4 P
0
/ f; r3 U! G. v! Q' T- |: M
7 Y6 W6 ?2 L5 K; X, Z
(t=0);
0 p) K7 C4 s b3 t
(1)设f ( x ) f(x)f(x)在x t x_tx
1 o2 t9 i! W; _% p, m
t
8 E6 u; k7 }' u7 U2 G
2 ]+ k Z- W+ k$ k# s% r. e
处的梯度(当x xx为一维时,即导数)∇ f ( x t ) \nabla f(x_t)∇f(x
6 J( |& R3 s4 f- o7 a, S
t
) n4 l+ {: c) T% T: a5 Q- i! e3 C
+ u- r! I) O1 Z7 {+ f
);
7 u+ D! d+ O% Q& ~' h6 w! [
(2)x t + 1 = x t − η ∇ f ( x t ) x_{t+1}=x_t-\eta\nabla f(x_t)x
3 i# B% o$ j, |7 R" E, W
t+1
2 G# G4 s- m/ r
( p# }3 D, w e% ]/ U+ h
=x
- |7 h; `) J% a
t
5 J0 W! d2 K9 T J) B
; I3 k8 E, b6 `- k5 y3 f7 `) |
−η∇f(x
8 f2 D M% u& f# b4 q
t
8 E" F3 t# h" P8 L! L4 `! I5 W
+ W: x* o4 U7 H/ k; L J- u
)
0 |1 _7 U7 g. b; }0 D
(3)若x t + 1 x_{t+1}x
* A* e( t$ }+ P4 O2 N
t+1
/ P! ~8 S" |3 X# Y8 b
& a% U$ _: ~5 q, P' y
与x t x_tx
$ P) `; o2 { W0 E0 J+ a- Y
t
( F! o! a+ }% ~; \. D, o7 k9 p6 v
" o% I2 t, N! i7 o5 d# P" l6 w2 g
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).
- [. t) z3 U! l2 d: Z- C: k. S& ]
& d) B+ o- }7 N; C; J' u+ D
其中η \etaη为学习率,它决定了梯度下降的步长。
2 \' ?* q1 {! Q2 W S n
下面是一个用梯度下降法求取y = x 2 y=x^2y=x
8 ~9 T% G; M7 _0 T( z5 s
2
5 ], M! c$ _: E' P
的最小值点的示例程序:
+ E1 c( Z0 G2 ?0 a
& B$ @( _2 T7 Q, {9 z
import numpy as np
( p; U. E( }( w
import matplotlib.pyplot as plt
5 E" m+ M6 O1 i: x; e" n9 F
4 [4 I) R8 q3 S8 \) r0 c# x3 s
def f(x):
6 [+ B# D; X0 l4 V% C$ R6 i
return x ** 2
9 Z8 W( r6 y1 P+ ?2 z( r- @
/ H t: _6 E4 a; M& D
def draw():
2 q( u/ U, h o+ y$ z, N8 c3 I* o
x = np.linspace(-3, 3)
$ J6 |/ A0 I8 a: e7 l' t2 B
y = f(x)
& |7 ]( @' ?- }
plt.plot(x, y, c = 'red')
: Z9 U1 z! ~0 E1 R0 D: } P
' W7 f% W5 ^) W: Z
cnt = 0
7 Z: c: s7 j& b5 f; [# g
# 初始化 x
/ D% y* f7 O8 w
x = np.random.rand(1) * 3
# p/ o# _- f3 c/ P
learning_rate = 0.05
# L& n% V4 A) e
5 l8 h* {$ b5 P; M8 C9 c( K, ~0 z, w
while True:
! j: _. x& b0 G0 Y( G4 z
grad = 2 * x
3 T& Z/ j0 V9 e( C
# -----------作图用,非算法部分-----------
0 B- {# e- N* ?; a6 v2 U0 f
plt.scatter(x, f(x), c = 'black')
0 _7 n& e4 @% r/ H
plt.text(x + 0.3, f(x) + 0.3, str(cnt))
" V" k+ o1 r; r
# -------------------------------------
2 X: N* c7 }, p' N: @" R" j
new_x = x - grad * learning_rate
+ m& H: X, m1 {! l* j) _
# 判断收敛
/ Y& b! L% X/ I- [5 e
if abs(new_x - x) < 1e-3:
- L* }1 q3 p6 V' q0 x7 `
break
- B2 y4 |: ~. _# m
. Q4 e2 {: Q. L/ j1 S B# E
x = new_x
7 m1 w m% t; S& t& r6 ?
cnt += 1
5 l( K5 K6 ?$ \, m* x
/ d* L+ }9 d- Y9 C- S
draw()
! g+ k0 B% s. g# T% o! X' ~
plt.show()
3 U* P' Q, G, R; J) i1 d
9 F8 v6 W! v( }+ f& I& n
1
5 I1 X: n& W* f/ _8 N, \6 a
2
5 z- }9 w; c: Y+ H3 D1 ?/ _( q
3
3 Y9 Y9 d- D+ @1 C4 y( e3 O( m
4
' Y& m n( r+ c# Q$ u# C. Q
5
1 |2 \8 L W0 k+ U5 [, K8 b/ w+ U
6
: |% Q* _0 e/ B0 K' A5 l
7
) ^# X2 W) L4 E H* q' q3 O
8
, D# b' R a7 R# g ^$ s
9
3 d7 e- ^1 U! w8 r }" G9 P
10
6 v* X, \9 H# M0 n
11
/ R+ O* C* V* v8 u D8 v' H a8 H
12
+ u8 a6 j& W6 |: \+ a0 J* _: N
13
6 Q- S. R! N8 ?' E3 ?
14
' o4 T$ D p# a% H1 B$ s
15
" F( h; M7 P0 Q- N" f7 J$ u
16
) j( z7 A9 T; [
17
) v" B- h" ^" S/ z5 P
18
9 n& q- I* H( Y. z! B5 f) f0 f k
19
4 h( e0 C1 @, }+ s ^( q4 T
20
( r1 j! \6 c2 M; b. w) T3 }3 V
21
8 H3 {9 ]7 O* I7 f2 V! x! @ j J
22
/ I. s# A; `. n- d5 v4 ?5 m
23
- g8 b u% u4 x8 f" }7 ^
24
1 M, A0 c, n( C2 N) L
25
8 E5 O+ L9 z+ N- g: H# N- F D" r
26
$ p9 Q1 ^ x7 F* I, V
27
( i4 r! i6 x4 E! y: T
28
2 h6 v: k1 K5 N
29
+ Q2 `2 G$ [8 t% k0 m! X) }: ?
30
) U, T' U& H. R/ p
31
% \2 ^9 B4 R: k
32
% X0 e' i+ O, Q
* ?% O% B- \# V! @
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。
: b Z$ Z% f3 _$ n8 \4 \% H8 q8 W
' n0 z( ?4 U3 @7 ^. M( j
在最小二乘法中,我们需要优化的函数是损失函数
4 ~4 @/ N" ~5 Q5 \' a6 |! O
L = ( X W − Y ) T ( X W − Y ) . L=(XW-Y)^T(XW-Y).
, P/ @: r+ ^6 D7 H7 N" D
L=(XW−Y)
+ o7 v( ]% G% q, A
T
* c3 b: Y$ O- l3 d
(XW−Y).
$ B W. _/ s6 U9 R( e6 j2 A
) r( U7 m$ Y6 E: H' s; \
下面我们用梯度下降法求解该问题。在上面的推导中,
% p$ h1 K( D' V
∂ L ∂ W = 2 X T X W − 2 X T Y ,
8 |" W6 r6 M1 V4 h+ t8 l$ a. g% h- B
∂L∂W=2XTXW−2XTY
% e. f) q( n5 G! h
∂L∂W=2XTXW−2XTY
1 ]+ N5 ?# q7 t% P- y* e* ^& L* z8 X
,
/ l. ^, y/ |1 u
∂W
M A% D8 O/ O' g. _& e4 q9 n( k
∂L
2 G( v; ?# H7 I/ B
0 K$ D, Y2 L" f, e! N; C/ A3 _
=2X
4 d2 g$ h( a) |( |
T
& D# [5 ~8 f0 @, }5 ~
XW−2X
) [* h% W; W" |: \
T
8 [ t- D7 b9 R/ A& B& G
Y
* i9 J* ^7 _6 F, _4 ~
- A: o2 U9 [) t2 M
,
+ Q1 P0 l: y6 }
- q! a) B9 j9 q( {3 f
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:
3 T; Z$ `$ M6 j# q8 M
4 E& h! D& u. k7 H, ?- _+ \
'''
5 e. H2 ^5 _! z% E7 Z. x u
梯度下降法(Gradient Descent, GD)求优化解, m 为多项式次数, max_iteration 为最大迭代次数, lr 为学习率
2 W! k) j( a, e
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
6 ~% i/ A4 y9 W5 A; _, T
- dataset 数据集
; Z! Z+ O% S; y2 Q) v
- m 多项式次数, 默认为 3(太高会溢出, 无法收敛)
3 |3 F% Q1 S1 M' |
- max_iteration 最大迭代次数, 默认为 1000
! A' |+ C4 i, W% @2 y$ S
- lr 梯度下降的学习率, 默认为 0.01
+ W! d8 _- l& Q1 [/ l! {% B, P
'''
, V' K& J0 H" l0 u+ L" H
def GD(dataset, m = 3, max_iteration = 1000, lr = 0.01):
3 T: W$ m) z5 b% }9 ^, C4 H
# 初始化参数
+ H9 I1 ~/ u' `+ h" V4 Q) V' v
w = np.random.rand(m + 1)
2 P2 x2 t9 E' l) W f
; }" K+ ^8 y9 M8 A. f4 r
N = len(dataset)
1 `* Q% s) N/ m6 I& Z! G% P
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(len(w))]).T
! c0 N, y/ J: z {! A8 K
Y = dataset[:, 1]
$ H/ N2 i: u- }. q3 p
; u. Q' z H5 j, ]" ?1 m* s y- \
try:
3 P1 _# K$ c) ]0 ~# X
for i in range(max_iteration):
3 P+ A5 [: o& D) ]8 V" i% N
pred_Y = np.dot(X, w)
' z* k1 j; J5 S& l
# 均方误差(省略系数2)
8 L" k9 M0 J- {% m8 R' }9 g
grad = np.dot(X.T, pred_Y - Y) / N
: S( g5 w0 @ N6 M
w -= lr * grad
3 ^, ]) p* V- _8 i9 H: b8 Z5 X
'''
8 j7 t) h+ d' r4 m6 L2 g; v" k
为了能捕获这个溢出的 Warning,需要import warnings并在主程序中加上:
9 S- u# H4 P7 \
warnings.simplefilter('error')
( `. U8 {" @5 M
'''
! ~1 H( I) Z h5 y
except RuntimeWarning:
1 M* K' j7 Y. Q+ m. t
print('梯度下降法溢出, 无法收敛')
& z8 K5 D: _4 k: x% u$ } e
/ L" D7 S3 A1 n! Y
return w
* d( ~' U: c3 A# r# c! Q" Q; y8 p
% S e6 s6 P# m0 A5 y4 H/ I. z- E; o
1
, S- O8 x- F* _9 D" O' n$ U
2
8 e, a; z8 `! D( @$ l
3
4 x) |# K0 W, x1 j0 l6 i. g2 a
4
+ s) q: P! u; D+ b6 ?* W
5
7 P; P) f+ b# G* ?/ [
6
. |) d! z8 q! X( X) n: ^0 D
7
3 y* Z, V" f) |3 p& y7 ~
8
5 G3 @9 B0 G4 c4 n+ z+ M5 n
9
+ k8 y5 L, Q7 l5 l% R
10
|: q* B4 D) f S) P
11
8 T7 t& [# U! g' V$ Z
12
2 j. d! h; J o' \7 [3 B8 B K& L' }
13
3 j+ M! m3 i! Y
14
0 `4 s+ z5 w# i
15
/ j$ X, P9 z1 U+ u: G: G" W/ |
16
2 c! [4 i- q) D9 j* t5 k- |/ j
17
, S( U2 U1 x( T7 |
18
! d. z3 y- N `8 _# b9 Y
19
# w. M" O8 Z) G# r+ I
20
* X/ R/ S. p8 q3 B: o! ]& ^2 U
21
: O$ [9 P# A+ \& h# {1 f5 E
22
9 L5 g) N. k. ~( H5 O2 K
23
/ R4 P2 S5 y+ H. g! l4 E
24
) S. D$ w; K( D3 N2 b F: v* C) b* d
25
8 k' f$ j2 z: k( a6 ]& L% ^
26
! O# w2 m. J" R, c+ e1 X
27
3 v" ?$ k9 n, v" d* z: S( L- _
28
" }- O# z* V/ H. B
29
% K [1 j: |' O# c* J9 N! O2 k! J
30
- _: T% f. V/ x) F/ k
这时如果m mm设置得稍微大一点(比如4),在迭代过程中梯度就会溢出,使参数无法收敛。在收敛时,拟合效果还算可以:
9 `7 ~) S! I9 C/ v9 C8 |
1 e5 d$ e; A o3 l: p5 A) y
) u6 m! K2 C* q: }, ?& q, Z& ^ w
共轭梯度法
, C6 e/ O+ z) w
共轭梯度法(Conjugate Gradients)可以用来求解形如A x = b A\pmb x=\pmb bA
. h2 |2 }* I; q2 b
x
# y( r" ]. k+ X
x=
3 ~. k9 f9 e8 U/ _8 s
b
. U+ O* H" P+ H3 m1 Q7 B
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(
% X0 i, I1 d. z5 g& d$ z
x
4 S" W3 Y s( N
x)=
4 W4 C* q; ] \6 H
2
8 v8 J1 d4 E4 F( O$ d
1
. `% R+ t' X. Z* w
; f; _3 ~2 C$ @& ^2 L" `; j
P9 L& u8 f' K7 w. y0 S% N
x
+ |8 Z9 e) \; O
x
# ?, q* H4 S8 z) o! m
T
) c3 k( Y' f) z9 l* f& ~
A
; [0 O/ ~# [! P, t; ^
x
( t) P4 ^) b# b8 R5 D: j# V
x−
5 }2 f" U) t( T0 d+ }) }
b
, W% T/ M' ?7 B9 Q7 Z! M
b
, t8 q0 N B# x; Q
T
: D2 o* @0 c* |0 _- E
2 y* [5 a3 v" v- A& Y ]
x
) m2 h* M4 ]6 ~
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
" P# m" _1 T, ~4 y
X T X W = Y T X , X^TXW=Y^TX,
- g% U* S4 p, u
X
* Z3 s& s6 c) c: I
T
* C/ l2 C/ m* H) n
XW=Y
! _3 \* J* Z7 x" I7 r; y
T
8 I4 T* \5 ^: B
X,
/ {* z7 x# Z) A% S
5 q& T) O, {: ~9 D. b8 P } m
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
, | s3 D% ?1 G$ F+ o' _
(m+1)×(m+1)
% c1 y$ t4 U: u7 b% W8 \
1 j% G# X: W( J: o8 z* B
=X
4 S- ~$ y" a6 D
T
! D/ T6 u$ ^1 A9 Q/ o1 V+ B# t
X,
i r( u- }* I9 O2 F/ G! S" C
b
$ j5 O/ Y) S! W, t: Y8 u" S4 { D& X5 {
b=Y
+ D! o# J. _# W1 b5 _8 i B6 d2 x; F6 k
T
7 Q* m4 ~) w1 n) E) ^% \- v4 K( G
.若我们想加一个正则项,就变成求解
* n4 R5 ~7 M7 e9 b5 H! k
( X T X + λ E ) W = Y T X . (X^TX+\lambda E)W=Y^TX.
1 |4 T$ @- t+ r6 J- j, N
(X
1 L- r) H: M# x* X
T
9 h# P4 J$ e0 M' s* I# U* a
X+λE)W=Y
8 K7 ]/ i$ ^, l; r
T
& d& s; l6 N$ f8 E) t- O
X.
5 G5 G" l6 y, A2 W
6 r* u, [/ f" G) H* B9 i1 a, r( P
首先说明一点:X T X X^TXX
5 [( l2 H. Y8 m) U2 s# X
T
( `6 E$ o. q) A, w
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
0 j) q# y" f* w5 P) D) R
T
) {/ c9 L3 d+ v8 ~/ V
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。
; w1 @- B: N. h4 N
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):
. p2 i* H# I6 U% C
5 _. ~: Z X" {5 w# D9 Z
(0)初始化x ( 0 ) ; x_{(0)};x
- e8 |# H4 {. ]- P) R
(0)
/ S! a7 K* M: u B) I6 D
D' W# Y. D8 r `0 Y1 w
;
) x1 ]* B5 b( b) l' \
(1)初始化d ( 0 ) = r ( 0 ) = b − A x ( 0 ) ; d_{(0)}=r_{(0)}=b-Ax_{(0)};d
+ y0 k9 j& z7 ^! v: l4 l
(0)
$ g0 |: f; J. @2 P7 c
' w' T( R* T7 j" L$ z! X
=r
3 O! r: z1 v, y2 D1 N
(0)
: E! n: J8 R4 x+ t. a. N
+ ], [6 n7 t- Y( Y0 k! J
=b−Ax
2 @: h% F, O1 f2 @
(0)
- a) q. W$ g( f6 p
( V( A' f+ V! X4 @
;
+ A7 w; q/ E# S8 }( W
(2)令
: n V: D @9 W, a% |% |9 M5 b
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: r' }) \2 r7 L$ d
α
: B' i o2 p: @! j! O
(i)
" }/ ^. }8 I" \- n" N
1 l) w" U5 G5 U' r
=
/ j$ d Y( l. e# }2 X
d
6 e; Q. d6 k$ S! m! B2 s; L9 y
(i)
! c. j% \/ e A0 [ n6 d" G3 V# n. j
T
2 h8 I g8 Z1 K, t
2 E4 _7 _6 D5 K" t
Ad
0 ?7 ~* T" k! h
(i)
' ^" n! G0 J; f
: s! j, X' U8 L/ X
* a: z# ~* b8 T
r
4 \& R) O2 T7 e# u
(i)
9 Z* _- ?5 W' i8 J* O& {
T
! A$ D/ d5 _4 M
! y J \& b5 A1 B
r
( K3 \1 r u0 `6 N7 C1 n3 |
(i)
5 m( i! a% \% S& p: j
, G! q( y% K6 z; \0 s; G
+ \. X6 x! x8 z
* ]0 _# z9 u6 h! u& ]
;
$ M) a# m+ [" b* H* ~0 v8 g+ x
. z& ?8 u7 B5 |8 e2 b' ]7 N* d0 b
(3)迭代x ( i + 1 ) = x ( i ) + α ( i ) d ( i ) ; x_{(i+1)}=x_{(i)}+\alpha_{(i)}d_{(i)};x
% ]. [1 B. t* R4 }! G' J* v) A
(i+1)
2 o3 ]4 M/ V5 [+ e+ Y: l
# ]& Q9 ^/ A7 c/ m9 d* l0 Y* w- ^
=x
. d0 |# p: K* B2 a
(i)
3 B9 l4 K2 {; E6 K" m1 T0 F+ Q; j
% [0 Z2 a e) K" E8 ?( h4 v6 ~
+α
, W. @0 P' G# e# {( J; E
(i)
/ y0 }- H X! p m! s
1 h4 ~! X/ v" {# E
d
& q. r5 B5 g) Q1 K. }
(i)
) R" b+ Y9 D' r7 ]# g
2 C! ^0 q5 q- I- O
;
4 {/ R: B- w. n
(4)令r ( i + 1 ) = r ( i ) − α ( i ) A d ( i ) ; r_{(i+1)}=r_{(i)}-\alpha_{(i)}Ad_{(i)};r
; R' ^$ k, \1 f8 J' x
(i+1)
$ i# A. o- y( q/ s8 i* O
8 A: V) X4 Y" O; Z8 q+ t8 S3 i
=r
$ e& G' i2 @5 }! w
(i)
9 ^7 Y5 P% V' D: k% i: j6 Q0 h
0 U e0 _2 [9 X G4 K- u
−α
1 w4 b: P. X0 ~" v. {
(i)
2 g! p8 e# Y/ w$ A! `
. W/ k7 h3 K" g& n' n$ ?1 l
Ad
% l) {3 Q2 G* P' f" f: O9 O$ F
(i)
- ?) }) D" V- T: g$ x
/ g+ t# l$ P Z U
;
; w* B' x9 i! _' ~2 r
(5)令
7 }6 |5 U* u6 `% t y( I
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)}.
; M& ~/ H/ h ]( F- M: m% R/ b
β
" V( D5 u8 _ x' Q
(i+1)
( j* X. O, C1 Y, d/ {2 I) }; w6 j
% q8 T; e3 S, E. B% i _3 E
=
, [4 R. r$ _( s
r
7 k/ D! v I) n2 R0 }* E. z
(i)
; B U& O: K9 ^3 f2 ^
T
* x; q* E6 [% S4 _& Y
) T I- O; ^" O. |3 R
r
' s g ]2 H+ ?# k+ K
(i)
. p& P7 j! i2 E' h
, W8 a0 X @* A8 R
1 {, `# ^% r: Z
r
$ ]1 U# r9 t7 |
(i+1)
$ c8 p% ?3 S, [" @
T
) s1 l1 @1 g8 o
& J: t R/ f2 S/ `4 N4 Q
r
5 j+ ~8 L1 d$ L/ Y6 |4 ]
(i+1)
. ^. N) D5 z d% T' o; Z
" d' J6 b7 M; d* o8 S
/ }: v7 `) X' o. j2 ?* @
) a& `- a- f3 [" U( \
,d
& ?9 f) p+ ^2 b( T5 Y! e% }* O0 u
(i+1)
( E# ?3 N3 R6 P% X- c( ?0 Z
6 F, S% c9 M6 s# V0 @2 O
=r
' F9 o5 |- R, V9 f
(i+1)
/ c) P! U$ @5 [- V
0 D, R% U) T5 J; J
+β
: b2 j% C0 J+ G$ }5 M9 E
(i+1)
f4 [5 R' f; B& J$ f- H8 w
- P$ ^7 u8 ~) ]( c& a" r% f
d
+ G% E# L( S9 { G8 E7 r
(i)
/ ]+ L' r/ N) P6 L1 I+ w2 m
5 W1 T9 D5 f) s: ]$ r5 q7 l7 I
.
& L4 I! _ {8 ^; Y7 L8 P
8 {9 p+ K7 K7 c8 t) G$ e% G. X
(6)当∣ ∣ r ( i ) ∣ ∣ ∣ ∣ r ( 0 ) ∣ ∣ < ϵ \frac{||r_{(i)}||}{||r_{(0)}||}<\epsilon
7 |6 V% h2 P2 Q3 Z& ~0 Z0 y
∣∣r
2 j A ?: V. E4 N' S
(0)
5 U- P6 P |9 _5 D( C6 {
V& w( n) o! ~5 w
∣∣
; O- C- T( f, w( Q9 u3 @& m
∣∣r
) i: t- t7 ]0 e8 N/ _
(i)
8 N8 I& c7 E' f
, g: ~; [0 {& }$ Z; @$ |
∣∣
- J5 z& Q$ A8 i3 Q4 t( C
: ^/ q" r4 L( C7 r. h$ D* j# Q$ X
<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
- q, g, [( P7 j3 M4 R% M
−5
3 C6 T! Z, U2 l2 H! B( j9 }
.
& B( e: h0 `5 G' I! \0 h
下面我们按照这个过程实现代码:
6 q! r* ~( E8 U; n2 J" R
8 ^, G) t" _; @" z, W1 g
'''
6 ?$ u, J' I2 `# p; Y5 O
共轭梯度法(Conjugate Gradients, CG)求优化解, m 为多项式次数
, L" j5 V9 n3 @2 b2 K
- dataset 数据集
+ y3 H3 t) C' H' c6 q
- m 多项式次数, 默认为 5
0 J; K" y6 t( g
- regularize 正则化参数, 若为 0 则不进行正则化
0 [6 r2 ]5 l9 e& |8 i
'''
8 T% b. O1 }5 |3 t& [3 x8 e
def CG(dataset, m = 5, regularize = 0):
# R+ \$ O$ l' ?' D4 ]1 i
X = np.array([dataset[:, 0] ** i for i in range(m + 1)]).T
) X: C5 `" r+ P) y0 L
A = np.dot(X.T, X) + regularize * np.eye(m + 1)
9 O4 K; ^# y' m
assert np.all(np.linalg.eigvals(A) > 0), '矩阵不满足正定!'
* \4 r+ ?1 P h) e( {0 E% M
b = np.dot(X.T, dataset[:, 1])
( { L" a% i7 h* E7 t5 y9 A4 b
w = np.random.rand(m + 1)
2 u$ Y$ F, O) m- s
epsilon = 1e-5
Q8 X7 O1 H3 V+ _" Q
' W" T$ [% }' P) Z3 H
# 初始化参数
! Q. b1 |" h% Q0 C
d = r = b - np.dot(A, w)
4 D" {3 o7 e7 x4 p5 f: T
r0 = r
8 n. y9 S8 D8 w$ L/ k1 c
while True:
- M7 i' q6 m* g+ B% \: ]! l
alpha = np.dot(r.T, r) / np.dot(np.dot(d, A), d)
! g9 O k1 K8 P! G% H3 _4 G, m
w += alpha * d
5 J3 K' F& E T% k. I
new_r = r - alpha * np.dot(A, d)
. e8 ?1 G- c1 t: B! X) E: m; X
beta = np.dot(new_r.T, new_r) / np.dot(r.T, r)
) I: f2 t! [6 S7 C
d = beta * d + new_r
% S9 s) x1 @) q+ n
r = new_r
! J2 V- M, o# c( v+ Q
# 基本收敛,停止迭代
9 h+ `2 E; D! i/ a
if np.linalg.norm(r) / np.linalg.norm(r0) < epsilon:
# C# h/ c$ s5 H" W, E
break
4 }' n5 g3 X2 l$ }7 `$ E; E
return w
+ v' z$ H1 i' W6 ]+ p: U7 _* V
5 K4 k5 J, {& d' _1 |2 T1 q
1
! D+ f2 g5 E+ B$ B% k
2
$ @) A) s/ P! F
3
: G/ |; e& N8 [. X6 v3 D0 [' ~4 ?+ H
4
1 O, ^* ^! L& L( ?; W
5
% X7 R4 a$ q( r
6
0 }9 @8 s1 D! ~
7
: q6 e* G! w& N3 e
8
/ |. E* m6 b* h
9
% @2 m8 Y2 D9 C1 D7 [
10
1 l8 h) X: s+ e( G$ I. k
11
, C, s: T3 ]8 `% @. q, H% \
12
3 j0 \9 t. x0 L" ~5 M# P& O
13
* @# ]& t" m9 {* A+ s/ D8 G
14
! g; s8 p* ~4 }$ [
15
/ }0 v4 n) H# O
16
- w; U5 k% e: ?& {: k- h
17
7 _9 y7 w |4 u9 G. y7 [
18
8 }1 Q2 j3 o2 e% a& i/ R& [( d
19
! d) j( }$ ~" F( b7 w
20
( T% q6 @* O- [
21
1 ?5 H1 y# c9 Z" @; a
22
# ~3 M: G, V* J7 I& u8 G! d7 X
23
9 w' T) ]5 s5 a6 |' l
24
& f8 Q, ~5 o0 Z( w2 u; Q
25
- h8 H+ k0 k% X) ~/ S) A
26
+ c& s& y; f0 {/ ^4 q
27
; L$ w+ S$ {" `: ?6 q! |
28
' B, ^! c) {2 A
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:
0 F' S8 k2 L3 T. k& u" a
# T- }1 f( {+ N* [) i; q
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):
( _. q+ ^' w6 s8 H
& d' H: G- }; S+ x0 d3 w i
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:
/ p* ^3 b0 B6 |5 f4 ~3 Z: _
6 p {0 B8 K+ `& C ]/ {9 I. K
0 f3 M) }& E! d l8 r! x8 x+ _* z9 @9 L! V
if __name__ == '__main__':
! ^8 O" h1 Q" H' ]) ?
warnings.simplefilter('error')
9 W6 m- j! f; ~
* c6 ^; e6 X5 s. I; p/ P; a! h7 F
dataset = get_dataset(bound = (-3, 3))
0 F' l" H( [' y3 T4 ^- l6 b
# 绘制数据集散点图
1 j2 B+ T$ b+ t% r5 n
for [x, y] in dataset:
# Y+ L& T( F' O1 J* C
plt.scatter(x, y, color = 'red')
$ i# D# O6 r# t0 B ^
+ h R. c3 o1 l5 E& q @1 Z7 G9 ]
/ j" Q5 S, h' A4 N
# 最小二乘法
2 | ~ J. v3 v! J) o; ?2 |
coef1 = fit(dataset)
, X6 L2 K w& F3 g
# 岭回归
7 Y& Z8 d+ N% @* o
coef2 = ridge_regression(dataset)
/ Y3 n9 j+ ~ W
# 梯度下降法
. L+ b9 |0 ?% G5 _+ H
coef3 = GD(dataset, m = 3)
' O! n- t! I R1 Q: \4 G
# 共轭梯度法
, C' O# U3 x0 o' ]. \" Z. c) v
coef4 = CG(dataset)
8 _- \& q$ P# j9 i, [2 }. M0 E# t
+ E* m w" o6 s! E" a' b! ?
# 绘制出四种方法的曲线
7 v# @- ]: n: n0 m- l
draw(dataset, coef1, color = 'red', label = 'OLS')
& J7 Z {7 D+ K6 n0 |
draw(dataset, coef2, color = 'black', label = 'Ridge')
4 Z' U3 C: g# }& W4 h& I
draw(dataset, coef3, color = 'purple', label = 'GD')
- L& a% H: X" z7 _& S/ ^; s6 e
draw(dataset, coef4, color = 'green', label = 'CG(lambda:0)')
! V. Q$ T1 j# o
- Z% _6 t; ^* o/ M$ h
# 绘制标签, 显示图像
8 `/ v5 e* u+ y' u
plt.legend()
6 N, z% ?7 x" P% p$ [: N
plt.show()
9 {4 c0 J# j# {7 l) y
' L5 f+ H+ H" l3 G
————————————————
B- y2 ]8 Q# 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 B1 \/ s3 A5 ~5 s1 C' e* l j
原文链接:https://blog.csdn.net/wyn1564464568/article/details/126819062
6 }7 B: T2 x, u8 a7 t1 v
9 H6 Z7 }2 c& t1 h) s4 I/ U
, X$ D& r4 `1 e" L
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