机器学习-梯度下降算法

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梯度下降法（英语：Gradient descent）是一个一阶最优化算法，通常也称为最速下降法。 要使用梯度下降法找到一个函数的局部极小值，必须向函数上当前点对应梯度（或者是近似梯度）的反方向的规定步长距离点进行迭代搜索。如果相反地向梯度正方向迭代进行搜索，则会接近函数的局部极大值点；这个过程则被称为梯度上升法。

概念

梯度下降法（英语：Gradient descent）是一个一阶最优化算法，通常也称为最速下降法。 要使用梯度下降法找到一个函数的局部极小值，必须向函数上当前点对应梯度（或者是近似梯度）的反方向的规定步长距离点进行迭代搜索。如果相反地向梯度正方向迭代进行搜索，则会接近函数的局部极大值点；这个过程则被称为梯度上升法。

流程

graph LR
A[输入] --> B[学习模型]
B --> C[预测输出]
C --> D[尽可能接近实际输出]
D --> B

描述

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0.5            5.0
0.6            5.5
0.8            6.0
1.1            6.8
1.4            7.0  预测函数 -> 寻找w0和w1 -> 模型参数
x              y    y'=w0+w1x

单样本误差：

根据预测函数求出输入为x时的预测值：$y’ = w_0 + w_1x$

总样本误差：

把所有单样本误差相加即是总样本误差：$\frac{1}{2}\sum(y-y’)^2$

损失函数：反映总样本误差因模型参数的变化而变化的规律

$loss = \frac{1}{2}\sum(y-(w_0+w_1x))^2$

所以损失函数就是总样本误差关于模型参数的函数，该函数属于三维数学模型，即需要找到一组 $w_0$, $w_1$ 使得 $loss$ 取极小值。

案例：画图模拟梯度下降的过程

整理训练集数据，自定义梯度下降算法规则，求出w0 ， w1 ，绘制回归线。

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import numpy as np
import matplotlib.pyplot as mp
train_x = np.array([0.5, 0.6, 0.8, 1.1, 1.4])
train_y = np.array([5.0, 5.5, 6.0, 6.8, 7.0])
test_x = np.array([0.45, 0.55, 1.0, 1.3, 1.5])
test_y = np.array([4.8, 5.3, 6.4, 6.9, 7.3])

times = 1000	# 定义梯度下降次数
lrate = 0.01	# 记录每次梯度下降参数变化率
epoches = []	# 记录每次梯度下降的索引
w0, w1, losses = [1], [1], []
for i in range(1, times + 1):
    epoches.append(i)
    loss = (((w0[-1] + w1[-1] * train_x) - train_y) ** 2).sum() / 2
    losses.append(loss)
    d0 = ((w0[-1] + w1[-1] * train_x) - train_y).sum()
    d1 = (((w0[-1] + w1[-1] * train_x) - train_y) * train_x).sum()
    print('{:4}> w0={:.8f}, w1={:.8f}, loss={:.8f}'.format(epoches[-1], w0[-1], w1[-1], losses[-1]))
    w0.append(w0[-1] - lrate * d0)
    w1.append(w1[-1] - lrate * d1)

pred_test_y = w0[-1] + w1[-1] * test_x
mp.figure('Linear Regression', facecolor='lightgray')
mp.title('Linear Regression', fontsize=20)
mp.xlabel('x', fontsize=14)
mp.ylabel('y', fontsize=14)
mp.tick_params(labelsize=10)
mp.grid(linestyle=':')
mp.scatter(train_x, train_y, marker='s', c='dodgerblue', alpha=0.5, s=80, label='Training')
mp.scatter(test_x, test_y, marker='D', c='orangered', alpha=0.5, s=60, label='Testing')
mp.scatter(test_x, pred_test_y, c='orangered', alpha=0.5, s=80, label='Predicted')
mp.plot(test_x, pred_test_y, '--', c='limegreen', label='Regression', linewidth=1)
mp.legend()
mp.show()

2. 绘制随着每次梯度下降，w0，w1，loss的变化曲线。

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w0 = w0[:-1]
w1 = w1[:-1]

mp.figure('Training Progress', facecolor='lightgray')
mp.subplot(311)
mp.title('Training Progress', fontsize=20)
mp.ylabel('w0', fontsize=14)
mp.gca().xaxis.set_major_locator(mp.MultipleLocator(100))
mp.tick_params(labelsize=10)
mp.grid(linestyle=':')
mp.plot(epoches, w0, c='dodgerblue', label='w0')
mp.legend()
mp.subplot(312)
mp.ylabel('w1', fontsize=14)
mp.gca().xaxis.set_major_locator(mp.MultipleLocator(100))
mp.tick_params(labelsize=10)
mp.grid(linestyle=':')
mp.plot(epoches, w1, c='limegreen', label='w1')
mp.legend()

mp.subplot(313)
mp.xlabel('epoch', fontsize=14)
mp.ylabel('loss', fontsize=14)
mp.gca().xaxis.set_major_locator(mp.MultipleLocator(100))
mp.tick_params(labelsize=10)
mp.grid(linestyle=':')
mp.plot(epoches, losses, c='orangered', label='loss')
mp.legend()

3. 基于三维曲面绘制梯度下降过程中的每一个点。

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import mpl_toolkits.mplot3d as axes3d

grid_w0, grid_w1 = np.meshgrid(
    np.linspace(0, 9, 500),
    np.linspace(0, 3.5, 500))

grid_loss = np.zeros_like(grid_w0)
for x, y in zip(train_x, train_y):
    grid_loss += ((grid_w0 + x*grid_w1 - y) ** 2) / 2

mp.figure('Loss Function')
ax = mp.gca(projection='3d')
mp.title('Loss Function', fontsize=20)
ax.set_xlabel('w0', fontsize=14)
ax.set_ylabel('w1', fontsize=14)
ax.set_zlabel('loss', fontsize=14)
ax.plot_surface(grid_w0, grid_w1, grid_loss, rstride=10, cstride=10, cmap='jet')
ax.plot(w0, w1, losses, 'o-', c='orangered', label='BGD')
mp.legend()

4. 以等高线的方式绘制梯度下降的过程。

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mp.figure('Batch Gradient Descent', facecolor='lightgray')
mp.title('Batch Gradient Descent', fontsize=20)
mp.xlabel('x', fontsize=14)
mp.ylabel('y', fontsize=14)
mp.tick_params(labelsize=10)
mp.grid(linestyle=':')
mp.contourf(grid_w0, grid_w1, grid_loss, 10, cmap='jet')
cntr = mp.contour(grid_w0, grid_w1, grid_loss, 10,
                  colors='black', linewidths=0.5)
mp.clabel(cntr, inline_spacing=0.1, fmt='%.2f',
          fontsize=8)
mp.plot(w0, w1, 'o-', c='orangered', label='BGD')
mp.legend()
mp.show()