python实现梯度下降算法的实例详解

在本篇文章里小编给大家整理的是一篇关于python实现梯度下降算法的实例详解内容,需要的朋友们可以参考下。

python版本选择

这里选的python版本是2.7,因为我之前用python3试了几次,发现在画3d图的时候会报错,所以改用了2.7。

数据集选择

数据集我选了一个包含两个变量,三个参数的数据集,这样可以画出3d图形对结果进行验证。

部分函数总结

symbols()函数:首先要安装sympy库才可以使用。用法:

 >>> x1 = symbols('x2') >>> x1 + 1 x2 + 1

在这个例子中,x1和x2是不一样的,x2代表的是一个函数的变量,而x1代表的是python中的一个变量,它可以表示函数的变量,也可以表示其他的任何量,它替代x2进行函数的计算。实际使用的时候我们可以将x1,x2都命名为x,但是我们要知道他们俩的区别。
再看看这个例子:

 >>> x = symbols('x') >>> expr = x + 1 >>> x = 2 >>> print(expr) x + 1

作为python变量的x被2这个数值覆盖了,所以它现在不再表示函数变量x,而expr依然是函数变量x+1的别名,所以结果依然是x+1。
subs()函数:既然普通的方法无法为函数变量赋值,那就肯定有函数来实现这个功能,用法:

 >>> (1 + x*y).subs(x, pi)#一个参数时的用法 pi*y + 1 >>> (1 + x*y).subs({x:pi, y:2})#多个参数时的用法 1 + 2*pi

diff()函数:求偏导数,用法:result=diff(fun,x),这个就是求fun函数对x变量的偏导数,结果result也是一个变量,需要赋值才能得到准确结果。

代码实现:

 from __future__ import division from sympy import symbols, diff, expand import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D data = {'x1': [100, 50, 100, 100, 50, 80, 75, 65, 90, 90],         'x2': [4, 3, 4, 2, 2, 2, 3, 4, 3, 2],         'y': [9.3, 4.8, 8.9, 6.5, 4.2, 6.2, 7.4, 6.0, 7.6, 6.1]}#初始化数据集 theta0, theta1, theta2 = symbols('theta0 theta1 theta2', real=True)  # y=theta0+theta1*x1+theta2*x2,定义参数 costfuc = 0 * theta0 for i in range(10):     costfuc += (theta0 + theta1 * data['x1'][i] + theta2 * data['x2'][i] - data['y'][i]) ** 2 costfuc /= 20#初始化代价函数 dtheta0 = diff(costfuc, theta0) dtheta1 = diff(costfuc, theta1) dtheta2 = diff(costfuc, theta2) rtheta0 = 1 rtheta1 = 1 rtheta2 = 1#为参数赋初始值 costvalue = costfuc.subs({theta0: rtheta0, theta1: rtheta1, theta2: rtheta2}) newcostvalue = 0#用cost的值的变化程度来判断是否已经到最小值了 count = 0 alpha = 0.0001#设置学习率,一定要设置的比较小,否则无法到达最小值 while (costvalue - newcostvalue > 0.00001 or newcostvalue - costvalue > 0.00001) and count < 1000:     count += 1     costvalue = newcostvalue     rtheta0 = rtheta0 - alpha * dtheta0.subs({theta0: rtheta0, theta1: rtheta1, theta2: rtheta2})     rtheta1 = rtheta1 - alpha * dtheta1.subs({theta0: rtheta0, theta1: rtheta1, theta2: rtheta2})     rtheta2 = rtheta2 - alpha * dtheta2.subs({theta0: rtheta0, theta1: rtheta1, theta2: rtheta2})     newcostvalue = costfuc.subs({theta0: rtheta0, theta1: rtheta1, theta2: rtheta2}) rtheta0 = round(rtheta0, 4) rtheta1 = round(rtheta1, 4) rtheta2 = round(rtheta2, 4)#给结果保留4位小数,防止数值溢出 print(rtheta0, rtheta1, rtheta2) fig = plt.figure() ax = Axes3D(fig) ax.scatter(data['x1'], data['x2'], data['y'])  # 绘制散点图 xx = np.arange(20, 100, 1) yy = np.arange(1, 5, 0.05) X, Y = np.meshgrid(xx, yy) Z = X * rtheta1 + Y * rtheta2 + rtheta0 ax.plot_surface(X, Y, Z, rstride=1, cstride=1, cmap=plt.get_cmap('rainbow')) plt.show()#绘制3d图进行验证

结果:

2f4dad188fc73dffb19b1f99a95ca21.png-600

42d0e007bee7ec354ab9ad0c606e296.png-600

实例扩展:

 ''' 梯度下降算法 Batch Gradient Descent Stochastic Gradient Descent SGD ''' __author__ = 'epleone' import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D import sys # 使用随机数种子, 让每次的随机数生成相同,方便调试 # np.random.seed(111111111) class GradientDescent(object): eps = 1.0e-8 max_iter = 1000000 # 暂时不需要 dim = 1 func_args = [2.1, 2.7] # [w_0, .., w_dim, b] def __init__(self, func_arg=None, N=1000): self.data_num = N if func_arg is not None: self.FuncArgs = func_arg self._getData() def _getData(self): x = 20 * (np.random.rand(self.data_num, self.dim) - 0.5) b_1 = np.ones((self.data_num, 1), dtype=np.float) # x = np.concatenate((x, b_1), axis=1) self.x = np.concatenate((x, b_1), axis=1) def func(self, x): # noise太大的话, 梯度下降法失去作用 noise = 0.01 * np.random.randn(self.data_num) + 0 w = np.array(self.func_args) # y1 = w * self.x[0, ] # 直接相乘 y = np.dot(self.x, w) # 矩阵乘法 y += noise return y @property def FuncArgs(self): return self.func_args @FuncArgs.setter def FuncArgs(self, args): if not isinstance(args, list): raise Exception( 'args is not list, it should be like [w_0, ..., w_dim, b]') if len(args) == 0: raise Exception('args is empty list!!') if len(args) == 1: args.append(0.0) self.func_args = args self.dim = len(args) - 1 self._getData() @property def EPS(self): return self.eps @EPS.setter def EPS(self, value): if not isinstance(value, float) and not isinstance(value, int): raise Exception("The type of eps should be an float number") self.eps = value def plotFunc(self): # 一维画图 if self.dim == 1: # x = np.sort(self.x, axis=0) x = self.x y = self.func(x) fig, ax = plt.subplots() ax.plot(x, y, 'o') ax.set(xlabel='x ', ylabel='y', title='Loss Curve') ax.grid() plt.show() # 二维画图 if self.dim == 2: # x = np.sort(self.x, axis=0) x = self.x y = self.func(x) xs = x[:, 0] ys = x[:, 1] zs = y fig = plt.figure() ax = fig.add_subplot(111, projection='3d') ax.scatter(xs, ys, zs, c='r', marker='o') ax.set_xlabel('X Label') ax.set_ylabel('Y Label') ax.set_zlabel('Z Label') plt.show() else: # plt.axis('off') plt.text( 0.5, 0.5, "The dimension(x.dim > 2) \n is too high to draw", size=17, rotation=0., ha="center", va="center", bbox=dict( boxstyle="round", ec=(1., 0.5, 0.5), fc=(1., 0.8, 0.8), )) plt.draw() plt.show() # print('The dimension(x.dim > 2) is too high to draw') # 梯度下降法只能求解凸函数 def _gradient_descent(self, bs, lr, epoch): x = self.x # shuffle数据集没有必要 # np.random.shuffle(x) y = self.func(x) w = np.ones((self.dim + 1, 1), dtype=float) for e in range(epoch): print('epoch:' + str(e), end=',') # 批量梯度下降,bs为1时 等价单样本梯度下降 for i in range(0, self.data_num, bs): y_ = np.dot(x[i:i + bs], w) loss = y_ - y[i:i + bs].reshape(-1, 1) d = loss * x[i:i + bs] d = d.sum(axis=0) / bs d = lr * d d.shape = (-1, 1) w = w - d y_ = np.dot(self.x, w) loss_ = abs((y_ - y).sum()) print('\tLoss = ' + str(loss_)) print('拟合的结果为:', end=',') print(sum(w.tolist(), [])) print() if loss_ 

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