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使用Python实现梯度下降算法的步骤

让theta=模型参数和max_iters=时期数。对于itr=1,2,3,...,max_iters:对于mini_batch(X_mini,y_mini):批量X_mini的前向传递:1、对小批量进行预测2、使用参数的当前值计算预测误差(J(theta))后传:计算梯度(theta)=J(theta)wrttheta的偏导数更新参数:theta=theta–learning_rate*gradient(theta)Python实现梯度下降算法的代码流程第一步:导入依赖项,为线性回归生成数据,并可视化生

本文目录

    让theta=模型参数和max_iters=时期数。对于itr=1,2,3,...,max_iters:对于mini_batch(X_mini,y_mini):

    批量X_mini的前向传递:

    1、对小批量进行预测

    2、使用参数的当前值计算预测误差(J(theta))

    后传:计算梯度(theta)=J(theta)wrt theta的偏导数

    更新参数:theta=theta–learning_rate*gradient(theta)

    Python实现梯度下降算法的代码流程

    第一步:导入依赖项,为线性回归生成数据,并可视化生成的数据。以8000个数据示例,每个示例都有2个属性特征。这些数据样本进一步分为训练集(X_train,y_train)和测试集(X_test,y_test),分别有7200和800个样本。

    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    
    mean=np.array([5.0,6.0])
    cov=np.array([[1.0,0.95],[0.95,1.2]])
    data=np.random.multivariate_normal(mean,cov,8000)
    
    plt.scatter(data[:500,0],data[:500,1],marker='.')
    plt.show()
    data=np.hstack((np.ones((data.shape[0],1)),data))
    split_factor=0.90
    split=int(split_factor*data.shape[0])
    X_train=data[:split,:-1]
    y_train=data[:split,-1].reshape((-1,1))
    X_test=data[split:,:-1]
    y_test=data[split:,-1].reshape((-1,1))
    
    print(& quot Number of examples in training set= % d & quot % (X_train.shape[0]))
    print(& quot Number of examples in testing set= % d & quot % (X_test.shape[0]))
    小批量梯度下降算法逻辑 Python实现梯度下降算法的代码流程

    训练集中的示例数=7200测试集中的示例数=800

    第二步:

    使用小批量梯度下降实现线性回归的代码。gradientDescent()是主要的驱动函数,其他函数是辅助函数:

    进行预测——hypothesis()

    计算梯度——gradient()

    计算误差——cost()

    创建小批量——create_mini_batches()

    驱动程序函数初始化参数,计算模型的最佳参数集,并返回这些参数以及一个列表,其中包含参数更新时的错误历史记录。

    def hypothesis(X,theta):
        return np.dot(X,theta)
    
    def gradient(X,y,theta):
        h=hypothesis(X,theta)
        grad=np.dot(X.transpose(),(h-y))
        return grad
    
    def cost(X,y,theta):
        h=hypothesis(X,theta)
        J=np.dot((h-y).transpose(),(h-y))
        J/=2
        return J[0]
    
    def create_mini_batches(X,y,batch_size):
        mini_batches=[]
        data=np.hstack((X,y))
        np.random.shuffle(data)
        n_minibatches=data.shape[0]//batch_size
        i=0
        for i in range(n_minibatches+1):
            mini_batch=data[i*batch_size:(i+1)*batch_size,:]
            X_mini=mini_batch[:,:-1]
            Y_mini=mini_batch[:,-1].reshape((-1,1))
            mini_batches.append((X_mini,Y_mini))
        if data.shape[0]%batch_size!=0:
           mini_batch=data[i*batch_size:data.shape[0]]
           X_mini=mini_batch[:,:-1]
           Y_mini=mini_batch[:,-1].reshape((-1,1))
           mini_batches.append((X_mini,Y_mini))
        return mini_batches
    
    def gradientDescent(X,y,learning_rate=0.001,batch_size=32):
        theta=np.zeros((X.shape[1],1))
        error_list=[]
        max_iters=3
        for itr in range(max_iters):
            mini_batches=create_mini_batches(X,y,batch_size)
            for mini_batch in mini_batches:
                X_mini,y_mini=mini_batch
                theta=theta-learning_rate*gradient(X_mini,y_mini,theta)
                error_list.append(cost(X_mini,y_mini,theta))
        return theta,error_list

    调用gradientDescent()函数来计算模型参数(theta)并可视化误差函数的变化。

    theta,error_list=gradientDescent(X_train,y_train)
    print("Bias=",theta[0])
    print("Coefficients=",theta[1:])
    
    plt.plot(error_list)
    plt.xlabel("Number of iterations")
    plt.ylabel("Cost")
    plt.show()

    偏差=[0.81830471]系数=[[1.04586595]]

    小批量梯度下降算法逻辑 Python实现梯度下降算法的代码流程

    第三步:对测试集进行预测并计算预测中的平均绝对误差。

    y_pred=hypothesis(X_test,theta)
    plt.scatter(X_test[:,1],y_test[:,],marker='.')
    plt.plot(X_test[:,1],y_pred,color='orange')
    plt.show()
    
    error=np.sum(np.abs(y_test-y_pred)/y_test.shape[0])
    print(& quot Mean absolute error=",error)
    小批量梯度下降算法逻辑 Python实现梯度下降算法的代码流程

    平均绝对误差=0.4366644295854125

    橙色线代表最终假设函数:theta[0]+theta[1]*X_test[:,1]+theta[2]*X_test[:,2]=0

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