ML:自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)單變量線性回歸算法

介紹

  • 注意:這里的代碼都是在Jupyter Notebook中運(yùn)行,原始的.ipynb文件可以在我的GitHub主頁上下載 https://github.com/acphart/Hand_on_ML_Algorithm 其中的LinearRegression_single_variabel.ipynb枕屉,直接在Jupyter Notebook中打開運(yùn)行即可,里面還有其他的機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn),喜歡可以順便給個(gè)star哦 ~~~

這里是實(shí)現(xiàn)單變量線性回歸算法的訓(xùn)練過程

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell

InteractiveShell.ast_node_interactivity = 'all'

生成模擬數(shù)據(jù)

  • 模擬數(shù)據(jù)的內(nèi)在模式是 y = 2.0x_0 + 2.9x_1 \quad (x_0 = 1)
  • 也就是一個(gè)一次函數(shù)飘痛,我們在數(shù)據(jù)中加入隨機(jī)噪聲珊膜,就得到了模擬數(shù)據(jù)
np.random.seed(20180822)

m = 100
Theta = [[2.0], [2.9]]

x0 = np.ones((m,1))
x1 = np.linspace(-2, 5, m).reshape(m, 1)

X = np.hstack((x0, x1))
y = np.dot(X, Theta) + 2.0*np.random.randn(100,1)

_ = plt.scatter(x1, y)

損失函數(shù)、梯度函數(shù)

  • 這是實(shí)現(xiàn)的主要工作宣脉,定義我們的損失函數(shù)和梯度函數(shù)
  • 損失函數(shù)是 Loss(\theta, X) = \frac{1}{2m}\sum_{i = 1}^m[h_\theta(x^{(i)}) - y^{(i)}]^2
  • 梯度函數(shù)是 \frac{\partial}{\partial \theta_j} Loss(\theta, X) = \frac{1}{m}\sum_{i = 1}^m[h_\theta(x^{(i)}) - y^{(i)}]x_j^{(i)}
  • 這里基本的優(yōu)化就是把循環(huán)求和操作向量化:
    Loss(\theta, X) = \frac{1}{2m}[h_\theta(X) - y]^T[h_\theta(X) - y]
    \nabla Loss(\theta, X) = \frac{1}{m}X^T[h_\theta(X) - y]
def loss_func(X, y, theta,):
    loss = np.dot(X, theta) - y
    return 1./(2*m) * np.dot(loss.T, loss)

def grad_func(X, y, theta):
    loss = np.dot(X, theta) - y
    return 1./m * np.dot(X.T, loss)

梯度下降

  • 我們的假設(shè)函數(shù)為: h_\theta(x) = \theta_0 x_0+ \theta_1 x_1 \quad (x_0 = 1)
  • 在梯度下降訓(xùn)練過程中车柠,我們利用顏色的深淺把擬合直線畫出來,我們可以看到擬合的效果越來越好
# 設(shè)置學(xué)習(xí)率和收斂停止的開關(guān)
alpha = 0.01
accuracy = 1e-5

# 初始化參數(shù)
theta = np.random.randn(2,1)*0.1

i = 1
index = 1
c = np.array([0.8, 0.8, 0.8])   # 設(shè)置顏色塑猖,顏色逐漸加深
grad = grad_func(X, y, theta)   # 初始梯度
while not np.all(abs(grad) < accuracy):
    theta = theta - alpha*grad
    grad = grad_func(X, y, theta)
    
    # 作出學(xué)習(xí)過程
    i = i+1
    if i%index == 0:
        _ = plt.plot(x1, np.dot(X, theta), color=c)
        c = c - 0.1
        index = index*4

_ = plt.scatter(x1, y, alpha=0.7)
theta    
  • 輸出算法訓(xùn)練后擬合的參數(shù)竹祷,和我們的模式函數(shù)的參數(shù)很接近,想要更好的結(jié)果還可以修改收斂停止的開關(guān)羊苟。
    array([[ 2.0953245],
           [ 2.9086616]])
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