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python實現梯度下降算法的方式

發布時間:2020-08-19 10:57:05 來源:億速云 閱讀:225 作者:小新 欄目:開發技術

這篇文章給大家分享的是有關python實現梯度下降算法的方式的內容。小編覺得挺實用的,因此分享給大家做個參考。一起跟隨小編過來看看吧。

python版本選擇

這里選的python版本是2.7,因為我之前用python3試了幾次,發現在畫3d圖的時候會報錯,所以改用了2.7。

數據集選擇

數據集我選了一個包含兩個變量,三個參數的數據集,這樣可以畫出3d圖形對結果進行驗證。

部分函數總結

symbols()函數:首先要安裝sympy庫才可以使用。用法:

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

在這個例子中,x1和x2是不一樣的,x2代表的是一個函數的變量,而x1代表的是python中的一個變量,它可以表示函數的變量,也可以表示其他的任何量,它替代x2進行函數的計算。實際使用的時候我們可以將x1,x2都命名為x,但是我們要知道他們倆的區別。
再看看這個例子:

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

作為python變量的x被2這個數值覆蓋了,所以它現在不再表示函數變量x,而expr依然是函數變量x+1的別名,所以結果依然是x+1。
subs()函數:既然普通的方法無法為函數變量賦值,那就肯定有函數來實現這個功能,用法:

>>> (1 + x*y).subs(x, pi)#一個參數時的用法
pi*y + 1
>>> (1 + x*y).subs({x:pi, y:2})#多個參數時的用法
1 + 2*pi

diff()函數:求偏導數,用法:result=diff(fun,x),這個就是求fun函數對x變量的偏導數,結果result也是一個變量,需要賦值才能得到準確結果。

代碼實現:

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]}#初始化數據集
theta0, theta1, theta2 = symbols('theta0 theta1 theta2', real=True)  # y=theta0+theta1*x1+theta2*x2,定義參數
costfuc = 0 * theta0
for i in range(10):
    costfuc += (theta0 + theta1 * data['x1'][i] + theta2 * data['x2'][i] - data['y'][i]) ** 2
costfuc /= 20#初始化代價函數
dtheta0 = diff(costfuc, theta0)
dtheta1 = diff(costfuc, theta1)
dtheta2 = diff(costfuc, theta2)

rtheta0 = 1
rtheta1 = 1
rtheta2 = 1#為參數賦初始值

costvalue = costfuc.subs({theta0: rtheta0, theta1: rtheta1, theta2: rtheta2})
newcostvalue = 0#用cost的值的變化程度來判斷是否已經到最小值了
count = 0
alpha = 0.0001#設置學習率,一定要設置的比較小,否則無法到達最小值
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)#給結果保留4位小數,防止數值溢出
print(rtheta0, rtheta1, rtheta2)

fig = plt.figure()
ax = Axes3D(fig)
ax.scatter(data['x1'], data['x2'], data['y'])  # 繪制散點圖
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()#繪制3d圖進行驗證

結果:

python實現梯度下降算法的方式

python實現梯度下降算法的方式

實例擴展:

'''
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

# 使用隨機數種子, 讓每次的隨機數生成相同,方便調試
# np.random.seed(111111111)


class GradientDescent(object):
 eps = 1.0e-8
 max_iter = 1000000 # 暫時不需要
 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太大的話, 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) # 矩陣乘法
 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):
 # 一維畫圖
 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()
 # 二維畫圖
 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(
 box,
 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數
 def _gradient_descent(self, bs, lr, epoch):
 x = self.x
 # shuffle數據集沒有必要
 # 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為1時 等價單樣本梯度下降
 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('擬合的結果為:', end=',')
 print(sum(w.tolist(), []))
 print()
 if loss_ < self.eps:
 print('The Gradient Descent algorithm has converged!!\n')
 break
 pass

 def __call__(self, bs=1, lr=0.1, epoch=10):
 if sys.version_info < (3, 4):
 raise RuntimeError('At least Python 3.4 is required')
 if not isinstance(bs, int) or not isinstance(epoch, int):
 raise Exception(
 "The type of BatchSize/Epoch should be an integer number")
 self._gradient_descent(bs, lr, epoch)
 pass

 pass


if __name__ == "__main__":
 if sys.version_info < (3, 4):
 raise RuntimeError('At least Python 3.4 is required')

 gd = GradientDescent([1.2, 1.4, 2.1, 4.5, 2.1])
 # gd = GradientDescent([1.2, 1.4, 2.1])
 print("要擬合的參數結果是: ")
 print(gd.FuncArgs)
 print("===================\n\n")
 # gd.EPS = 0.0
 gd.plotFunc()
 gd(10, 0.01)
 print("Finished!")

感謝各位的閱讀!關于python實現梯度下降算法的方式就分享到這里了,希望以上內容可以對大家有一定的幫助,讓大家可以學到更多知識。如果覺得文章不錯,可以把它分享出去讓更多的人看到吧!

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