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liu_yu_bo_play_with_machine_learning
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    • Introduction
    • Summary
    • Chapter10
      • 第十章:评价分类结果
    • Chapter10
      • 10-2 精确率和召回率
    • Chapter10
      • 10-3 实现混淆矩阵、精准率、召回率
    • Chapter10
      • 10-4 F1 score
    • Chapter10
      • 10-5 Precision-Recall平衡
    • Chapter10
      • 10-6 precision-recall曲线
    • Chapter10
      • 10-7 ROC曲线
    • Chapter10
      • 10-8 多分类问题中的混淆矩阵
    • Chapter11
      • 11-1 什么是支撑向量机
    • Chapter11
      • 11-2 支撑向量机的推导过程
    • Chapter11
      • 11-3 Soft Margin和SVM的正则化
    • Chapter11
      • 11-4 scikit-leran中的SVM
    • Chapter11
      • 11-5 SVM中使用多项式特征
    • Chapter11
      • 11-6 什么是核函数
    • Chapter11
      • 11-7 高斯核函数
    • Chapter11
      • 11-8 scikit-learn中的高斯核函数
    • Chapter11
      • 11-9 SVM思想解决回归问题
    • Chapter12
      • 第十二章:决策树
    • Chapter12
      • 12-2 信息熵
    • Chapter12
      • 12-3 使用信息寻找最优划分
    • Chapter12
      • 12-4 基尼系数
    • Chapter12
      • 12-5 CART和决策树中的超参数
    • Chapter12
      • 12-6 决策树解决回归问题
    • Chapter12
      • 12-7 决策树的局限性
    • Chapter13
      • 第十三章:集成学习和随机森林
    • Chapter13
      • 13-2 soft voting
    • Chapter13
      • 13-3 bagging和pasting
    • Chapter13
      • 13-4 更多关于bagging的讨论
    • Chapter13
      • 13-5 随机森林和extra-trees
    • Chapter13
      • 13-6 ada boosting和gradiesnt boosting
    • Chapter13
      • 13-7 Stacking
    • Chapter4
      • KNN - K近邻算法 - K-Nearest Neighbors
    • Chapter4
      • 4-1
    • Chapter4
      • 4-2
    • Chapter4
      • 4-3 训练数据集,测试数据集
    • Chapter4
      • 4-4 分类准确度
    • Chapter4
      • 4-5
    • Chapter4
      • 4-6 网格搜索
    • Chapter4
      • 4-7
    • Chapter4
      • 4-8 scikit-learn中的Scaler
    • Chapter4
      • 4-9 更多有关K近邻算法的思考
    • Chapter5
      • 线性回归算法
    • Chapter5
      • 5-1
    • Chapter5
      • 5-10 线性回归的可解释性和更多思考
    • Chapter5
      • 5-2 最小二乘法
    • Chapter5
      • 5-3 简单线性回归的实现
    • Chapter5
      • 5-4 参数计算向量化
    • Chapter5
      • 5-5 衡量线性回归算法的指标
    • Chapter5
      • 5-6 最好的衡量线性回归法的指标 R Squared
    • Chapter5
      • 5-7 简单线性回归和正规方程解
    • Chapter5
      • 5-8 实现多元线性回归
    • Chapter5
      • 5-9 scikit-learn中的回归算法
    • Chapter6
      • 第六章:梯度下降法
    • Chapter6
      • 6-2 模拟实现梯度下降法
    • Chapter6
      • 6-3 多元线性回归中的梯度下降法
    • Chapter6
      • 6-4 在线性回归模型中使用梯度下降法
    • Chapter6
      • 6-5 梯度下降的向量化
    • Chapter6
      • 6-6 随机梯度下降
    • Chapter6
      • 6-7 代码实现随机梯度下降
    • Chapter6
      • 6-8 调试梯度下降法
    • Chapter6
      • 6-9 有关梯度下降法的更多深入讨论
    • Chapter7
      • 主成分分析法 PCA Principal Component Analysis
    • Chapter7
      • 7-1
    • Chapter7
      • 7-2 使用梯度上升法求解主成分分析问题
    • Chapter7
      • 7-3 代码实现主成分分析问题
    • Chapter7
      • 7-4 求数据的前N个主成分
    • Chapter7
      • 7-5 高维数据向低维数据映射
    • Chapter7
      • 7-6 scikit learn中的PCA
    • Chapter7
      • 7-7 MNIST数据集
    • Chapter7
      • 7-8 使用PCA降噪
    • Chapter7
      • 7-9 人脸识别和特征脸(未完成)
    • Chapter8
      • 第八章:多项式回归与模型泛化
    • Chapter8
      • 8-10 L1,L2和弹性网络
    • Chapter8
      • 8-2 scikit-learn中的多项式回归和pipeline
    • Chapter8
      • 8-3 过拟合和欠拟合
    • Chapter8
      • 8-4 为什么要训练数据集和测试数据集
    • Chapter8
      • 8-5 学习曲线
    • Chapter8
      • 8-6 验证数据集与交叉验证
    • Chapter8
      • 8-7 偏差方差权衡 Bias Variance Trade off
    • Chapter8
      • 8-8 模型正则化 Regularization
    • Chapter8
      • 8-9 LASSO Regularization
    • Chapter9
      • 第九章:逻辑回归
    • Chapter9
      • 9-2 逻辑回归的损失函数
    • Chapter9
      • 9-3 逻辑回归算法损失函数的梯度
    • Chapter9
      • 9-4 实现逻辑回归算法
    • Chapter9
      • 9-5 决策边界
    • Chapter9
      • 9-6 在逻辑回归中使用多项式特征
    • Chapter9
      • 9-7 scikit-learn中的逻辑回归
    • Chapter9
      • 9-8 OvR与OvO
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  • 测试数据 + sgd
  • 真实数据 + sgd
  • 真实数据
  • 预处理
  • SGD
  • n_iters对score和Wall time的影响
  • 真实数据 + sklearn的SGD
  1. src
  2. Chapter6

6-7 代码实现随机梯度下降

import numpy as np
from sklearn.metrics import r2_score

class LinearRegression:

    def __init__(self):
        """初始化Linear Regression模型"""
        self.coef_ = None
        self.interception_ = None
        self._theta = None

    def fit_normal(self, X_train, y_train):
        """根据训练数据集X_train, y_train训练Linear Regression模型"""
        assert X_train.shape[0] == y_train.shape[0], "the size of X_train must be equal to the size of y_train"

        X_b = np.hstack([np.ones((len(X_train), 1)), X_train])
        self._theta = np.linalg.inv(X_b.T.dot(X_b)).dot(X_b.T).dot(y_train)

        self.interception_ = self._theta[0]
        self.coef_ = self._theta[1:]

        return self

    def fit_gd(self, X_train, y_train, eta=0.01, n_iters = 1e4):
        """根据训练数据集X_train, y_train,使用梯度下降法训练Linear Regression模型"""
        assert X_train.shape[0] == y_train.shape[0], "the size of X_train must be equal to the size of y_train"

        def J(theta, X_b, y):
            try:
                return np.sum((y - X_b.dot(theta))**2) / len(X_b)
            except:
                return float('inf')

        def dJ(theta, X_b, y):
            return X_b.T.dot(X_b.dot(theta)-y) * 2. / len(X_b)

        def gradient_descent(X_b, y, initial_theta, eta, n_iters = 1e4, epsilon=1e-8):
            theta = initial_theta
            i_iter = 0
            while i_iter < n_iters:
                gradient = dJ(theta, X_b, y)
                last_theta = theta
                theta = theta - eta * gradient
                if (abs(J(theta, X_b, y) - J(last_theta, X_b, y)) < epsilon):
                    break
                i_iter += 1
            return theta

        X_b = np.hstack([np.ones((len(X_train), 1)), X_train])
        initial_theta = np.zeros(X_b.shape[1])
        self._theta = gradient_descent(X_b, y_train, initial_theta, eta)
        self.interception_ = self._theta[0]
        self.coef_ = self._theta[1:]
        return self

    def fit_sgd(self, X_train, y_train, n_iters = 5, t0 = 5, t1 = 50):
        """根据训练数据集X_train, y_train,使用随机梯度下降法训练Linear Regression模型"""
        assert X_train.shape[0] == y_train.shape[0], "the size of X_train must be equal to the size of y_train"

        def dJ_sgd(theta, X_b_i, y_i):
            return X_b_i.T.dot(X_b_i.dot(theta)-y_i) * 2.

        def learning_rate(t, t0, t1):
            return t0 / (t + t1)

        def sgd(X_b, y, initial_theta, n_iters, t0, t1): # n_iters:对所有的样本看几圈
            theta = initial_theta
            m = len(X_b)

            i_iter = 0
            for i_iter in range (n_iters):
                indexes = np.random.permutation(m)
                X_b_new = X_b[indexes]
                y_new = y[indexes]
                for i in range (m):
                    gradient = dJ_sgd(theta, X_b_new[i], y_new[i])
                    last_theta = theta
                    theta = theta - learning_rate(i_iter*m+i, t0, t1) * gradient
            return theta

        X_b = np.hstack([np.ones((len(X_train), 1)), X_train])
        initial_theta = np.zeros(X_b.shape[1])
        self._theta = sgd(X_b, y_train, initial_theta, n_iters, t0, t1)
        self.interception_ = self._theta[0]
        self.coef_ = self._theta[1:]
        return self

    def predict(self, X_predict):
        """给定待预测数据集X_predict,返回表示X_predict的结果向量"""
        assert self.interception_ is not None and self.coef_ is not None, "must fit before predict"
        assert X_predict.shape[1] == len(self.coef_), "the feature number of X_predict must equal to X_train"

        X_b = np.hstack([np.ones((len(X_predict), 1)), X_predict])
        return X_b.dot(self._theta)

    def score(self, X_test, y_test):
        """根据测试数据集X_test, y_test确定当前模型的准确度"""

        y_predict = self.predict(X_test)
        return r2_score(y_test, y_predict)

    def __repr__(self):
        return "LinearRegression()"

测试数据 + sgd

m = 100000

x = np.random.normal(size=m)
X = x.reshape(-1, 1)
y = 4. * x + 3. + np.random.normal(0, 3, size=m)

lin_reg = LinearRegression()
lin_reg.fit_sgd(X, y, n_iters=2)

刚开始在代码中犯了个错误,没有把L78的i_iter改成i_iter*m+i, 导致每次训练得到的模型差点都非常大,且偏离正确值也非常大。 改掉之后就好了, 可以如果学习率使用固定值,不能得到很好的效果。

真实数据 + sgd

真实数据

from sklearn import datasets

boston = datasets.load_boston()
X = boston.data
y = boston.target

X = X[y<50.0]
y = y[y<50.0]

预处理

from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=666)

from sklearn.preprocessing import StandardScaler
standScaler = StandardScaler()
standScaler.fit(X_train)
X_train_standard = standScaler.transform(X_train)
X_test_standard = standScaler.transform(X_test)

SGD

lin_reg = LinearRegression()
%time lin_reg.fit_sgd(X_train_standard, y_train)
lin_reg.score(X_test_standard, y_test)

n_iters对score和Wall time的影响

n_iters

score

Wall time

5

0.7763594773981595

30.7 ms

50

0.8130771495096732

271 ms

100

0.8131205440883096

462 ms

真实数据 + sklearn的SGD

from sklearn.linear_model import SGDRegressor

sgd_lin = SGDRegressor()
%time sgd_lin.fit(X_train_standard, y_train)
sgd_lin.score(X_test_standard, y_test)

模型的得分差不多,但sklearn的SGD的速度明显快很多。 因为sklearn的SGD的实现过程与课程中有很大的不同。

视频还测试了SGDRegressor的n_iter参数。 这个参数在我用的sklearn版本中已经没有了。

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Last updated 5 years ago