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python+numpy+matplotalib实现梯度下降法

2020-01-04 14:36:41
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来源:转载
供稿:网友

这个阶段一直在做和梯度一类算法相关的东西,索性在这儿做个汇总,

一、算法论述

梯度下降法(gradient  descent)别名最速下降法(曾经我以为这是两个不同的算法-.-),是用来求解无约束最优化问题的一种常用算法。下面以求解线性回归为题来叙述:

设:一般的线性回归方程(拟合函数)为:(其中python,numpy,matplotalib,梯度下降法的值为1)

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python,numpy,matplotalib,梯度下降法这一组向量参数选择的好与坏就需要一个机制来评估,据此我们提出了其损失函数为(选择均方误差):

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我们现在的目的就是使得损失函数python,numpy,matplotalib,梯度下降法取得最小值,即目标函数为:

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如果python,numpy,matplotalib,梯度下降法的值取到了0,意味着我们构造出了极好的拟合函数,也即选择出了最好的python,numpy,matplotalib,梯度下降法值,但这基本是达不到的,我们只能使得其无限的接近于0,当满足一定精度时停止迭代。

那么问题来了如何调整python,numpy,matplotalib,梯度下降法使得python,numpy,matplotalib,梯度下降法取得的值越来越小呢?方法很多,此处以梯度下降法为例:

分为两步:(1)初始化python,numpy,matplotalib,梯度下降法的值。

                  (2)改变python,numpy,matplotalib,梯度下降法的值,使得python,numpy,matplotalib,梯度下降法按梯度下降的方向减少。

python,numpy,matplotalib,梯度下降法值的更新使用如下的方式来完成:

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  python,numpy,matplotalib,梯度下降法      

其中python,numpy,matplotalib,梯度下降法为步长因子,这里我们取定值,但注意如果python,numpy,matplotalib,梯度下降法取得过小会导致收敛速度过慢,python,numpy,matplotalib,梯度下降法过大则损失函数可能不会收敛,甚至逐渐变大,可以在下述的代码中修改python,numpy,matplotalib,梯度下降法的值来进行验证。后面我会再写一篇关于随机梯度下降法的文章,其实与梯度下降法最大的不同就在于一个求和符号。

二、代码实现

import numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltfrom mpl_toolkits.mplot3d import axes3dfrom matplotlib import style  #构造数据def get_data(sample_num=10000):  """  拟合函数为  y = 5*x1 + 7*x2  :return:  """  x1 = np.linspace(0, 9, sample_num)  x2 = np.linspace(4, 13, sample_num)  x = np.concatenate(([x1], [x2]), axis=0).T  y = np.dot(x, np.array([5, 7]).T)   return x, y#梯度下降法def GD(samples, y, step_size=0.01, max_iter_count=1000):  """  :param samples: 样本  :param y: 结果value  :param step_size: 每一接迭代的步长  :param max_iter_count: 最大的迭代次数  :param batch_size: 随机选取的相对于总样本的大小  :return:  """  #确定样本数量以及变量的个数初始化theta值  m, var = samples.shape  theta = np.zeros(2)  y = y.flatten()  #进入循环内  print(samples)  loss = 1  iter_count = 0  iter_list=[]  loss_list=[]  theta1=[]  theta2=[]  #当损失精度大于0.01且迭代此时小于最大迭代次数时,进行  while loss > 0.001 and iter_count < max_iter_count:    loss = 0    #梯度计算    theta1.append(theta[0])    theta2.append(theta[1])    for i in range(m):      h = np.dot(theta,samples[i].T)      #更新theta的值,需要的参量有:步长,梯度      for j in range(len(theta)):        theta[j] = theta[j] - step_size*(1/m)*(h - y[i])*samples[i,j]    #计算总体的损失精度,等于各个样本损失精度之和    for i in range(m):      h = np.dot(theta.T, samples[i])      #每组样本点损失的精度      every_loss = (1/(var*m))*np.power((h - y[i]), 2)      loss = loss + every_loss     print("iter_count: ", iter_count, "the loss:", loss)        iter_list.append(iter_count)    loss_list.append(loss)        iter_count += 1  plt.plot(iter_list,loss_list)  plt.xlabel("iter")  plt.ylabel("loss")  plt.show()  return theta1,theta2,theta,loss_listdef painter3D(theta1,theta2,loss):  style.use('ggplot')  fig = plt.figure()  ax1 = fig.add_subplot(111, projection='3d')  x,y,z = theta1,theta2,loss  ax1.plot_wireframe(x,y,z, rstride=5, cstride=5)  ax1.set_xlabel("theta1")  ax1.set_ylabel("theta2")  ax1.set_zlabel("loss")  plt.show()def predict(x, theta):  y = np.dot(theta, x.T)  return y    if __name__ == '__main__':  samples, y = get_data()  theta1,theta2,theta,loss_list = GD(samples, y)  print(theta) # 会很接近[5, 7]   painter3D(theta1,theta2,loss_list)  predict_y = predict(theta, [7,8])  print(predict_y)

三、绘制的图像如下:

迭代次数与损失精度间的关系图如下:步长为0.01

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变量python,numpy,matplotalib,梯度下降法python,numpy,matplotalib,梯度下降法与损失函数loss之间的关系:(从初始化之后会一步步收敛到loss满足精度,之后python,numpy,matplotalib,梯度下降法python,numpy,matplotalib,梯度下降法会变的稳定下来)

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下面我们来看一副当步长因子变大后的图像:步长因子为0.5(很明显其收敛速度变缓了)

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当步长因子设置为1.8左右时,其损失值已经开始震荡

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以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持VEVB武林网。


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