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[人工智能]第三节-梯度下降【跟随 up 主 “刘二大人” 学习 pytorch】

前言

  • 本专栏是我这个小菜鸡跟随 B 站 up 主 刘二大人 学习 pytorch 完成的课后作业,原视频请戳这里

题目

  • 这一节没有题目,所以我就准备实现一下 随机梯度下降批量梯度下降

分析

  • 模型为 y ^ = w ? x \hat{y}=w*x y^?=w?x
  • 训练数据这次用的多一点,取 x ∈ [ 0.0 , 10.0 ] x\in[0.0, 10.0] x[0.0,10.0] ,步长为 0.1y 的话直接 y = 2 ? x y=2*x y=2?x
X = np.arange(0.0, 10.0, 0.1)
y = X * 2

随机梯度下降

  1. 随机梯度下降 是指每次训练都只用 一个 样本,那关键也就在于这 一个随机梯度下降 是与 批量梯度下降 相反的极端情况。
  2. 这个方法的优点在于:
    • 梯度下降 运行速度很快内存开销小 ,支持使用海量数据集进行训练
    • 损失函数不规则时(存在多个局部最小值),更有可能 跳过局部最小值,最终 接近全局最小值
    • 存在跃过 鞍点 的可能性
  3. 实现方法就是 每次随机从样本中选择一个样本进行训练 ,通常每次训练前要 随机打乱训练集,代码如下
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

X = np.arange(0.0, 10.0, 0.1)
y = X * 2
w = 0.0
eta = 0.001 # 学习率
result = {
	'w': [],
	'loss': []
}
# 进行预测
def predict(w, x):
    return w * x
# 计算损失
def loss(y, y_pred):
    return (y_pred - y) ** 2
# 计算梯度
def gradient(x, y, y_pred):
    return 2 * x * (y_pred - y)

for step in range(1, 10001):
	# 随机一个下标,取对应数据进行训练
    index = np.random.randint(0, len(X))
    # 预测值
    y_pred = predict(w, X[index])
    # 损失
    loss = loss(y[index], y_pred)
    # 梯度
    grad = gradient(X[index], y[index], y_pred)
    # 存取结果
    result['w'].append(w)
    result['loss'].append(loss)
    # 输入训练情况
    print('\rEpoch: {:>5d}/{} [{}{}] w={:>.4f} loss={:>.4f}'.format(
        step, 10000,
        '■' * int(step/10000*20),
        '□' * (20 - int(step/10000*20)),
        w, loss
    ), end='')
    
    w -= eta * grad
    # 将数据集的顺序打乱
    # data_index = list(range(len(X)))
    # np.random.shuffle(data_index)
    # X, y = np.array([X[i] for i in data_index]), np.array([y[i] for i in data_index])
    
    time.sleep(0.01)
# 绘图
plt.plot(result['w'], result['loss'], '-.', label='loss')
plt.xlabel('w')
plt.ylabel('loss')
plt.legend()
plt.show()
  1. 看一下训练的结果
    ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/b351aa1758944e1fb2516b1051c86776.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xoeXM2NjY=,size_16,color_FFFFFF,t_70
  • 可以看出来损失在反复竖跳,但幅值在逐渐减小
  • 预测一下
In[]:	print('Predict: x = %.2f --> y = %.4f' % (4.0, predict(w, 4.0)))

Out[]:	Predict: x = 4.00 --> y = 8.0000

小批量梯度下降

  1. 小批量梯度下降 是指每次训练的样本是 整个训练样本的一小部分 ,这个方法结合了 批量梯度下降随机梯度下降 的优点,虽然不如二者的优点突出,但毕竟集两家之长
  2. 注意点:视具体情况指定 小批量的数量 ,代码如下:
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

X = np.arange(0.0, 10.0, 0.1)
y = X * 2
w = 0.0
eta = 0.001 # 学习率
result = {
	'w': [],
	'loss': []
}
# 进行预测
def predict(w, X):
    return w * X
# 计算损失
def cost(y, y_pred):
    return (((y_pred-y)) ** 2).sum() / y.shape[0]
# 计算梯度
def gradient(X, y, y_pred):
    return (2 * X * (y_pred - y)).sum() / X.shape[0]
    
for step in range(1, 1001):
	# 随机选择 5 个样本
    index = np.random.choice(range(0, X.shape[0]), 5)
    train_x, train_y = X[index], y[index]
    # 得到预测值
    y_pred = predict(w, train_x)
    # 计算损失
    cost = cost(train_y, y_pred)
    # 保存结果,用于绘图
    result['w'].append(w)
    result['cost'].append(cost)
    # 输出训练情况
    print('\rEpoch: {:>3d}/{} [{}{}] w={:>.4f} loss={:>.4f}'.format(
        step, 1000,
        '■' * int(step/1000*20),
        '□' * (20 - int(step/1000*20)),
        w, cost
    ), end='')
    # 计算梯度,更新 w
    gradient = gradient(train_x, train_y, y_pred)
    w -= eta * gradient
    # 将数据集的顺序打乱
    data_index = list(range(len(X)))
    np.random.shuffle(data_index)
    X, y = np.array([X[i] for i in data_index]), np.array([y[i] for i in data_index])
    
    time.sleep(0.01)
# 绘图
plt.plot(result['w'], result['cost'], '-.', label='cost')
plt.xlabel('w')
plt.ylabel('cost')
plt.legend()
plt.show()
  1. 看一下训练结果
    在这里插入图片描述
  • 也是逐步下降的(虽然有些畸形つ﹏?)
  • 预测一下
In[]:	print('Predict: x = %.2f --> y = %.4f' % (4.0, predict(w, 4.0)))

Out[]:	Predict: x = 4.00 --> y = 8.0000

代码展示

  • 将上述代码封装成类

批量梯度下降

  • 封装类
class TotalGradient:
    
    def __init__(self, w_initial=0.0, n_iter=1000, eta=0.005):
        self.w = w_initial
        self.n_iter = n_iter
        self.eta = eta
        self.delay = 0.1 ** (len(str(n_iter))-1) * n_iter / pow(10, (len(str(n_iter)))-1)
    
    def __predict(self, w, X):
        return w * X
    
    def __cost(self, y, y_pred):
        return ((y_pred - y) ** 2).sum() / y.shape[0]
    
    def __gradient(self, X, y, y_pred):
        return (2 * X * (y_pred - y)).sum() / X.shape[0]
    
    def __process(self, data):
        return data if isinstance(data, np.ndarray) else np.array(data)
    
    def train(self, X, y):
        
        X, y = self.__process(X), self.__process(y)
        
        result = {
            'w': [],
            'loss': []
        }
        
        for step in range(1, self.n_iter+1):
            
            y_pred = self.__predict(self.w, X)
            loss = self.__cost(y, y_pred)
            result['w'].append(self.w)
            result['loss'].append(loss)
            print('\rEpoch: {:>2d}/{:>2d} [{}{}] w={:>.4f} loss={:>.4f}'.format(
                step, self.n_iter,
                '■' * int(step/self.n_iter*20),
                '□' * (20-int(step/self.n_iter*20)),
                self.w, loss
            ), end='')
            
            grad = self.__gradient(X, y, y_pred)
            self.w -= self.eta * grad
            
            time.sleep(self.delay)
        
        plt.plot(result['w'], result['loss'], '-.', label='loss')
        plt.xlabel('w')
        plt.ylabel('loss')
        plt.legend()
        plt.show()
    
    def predict(self, x):
        pred = self.__predict(x, self.w)
        print('Predict: x = %.2f --> y = %.4f' % (x, pred))
        return pred
  • 训练情况
In[]:	total = TotalGradient()
		total.train(X, y)

Out[]:	Epoch: 1000/1000 [■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■] w=2.0000 loss=0.0000

在这里插入图片描述

  • 预测结果
In[]:	total.predict(4)

Out[]:	Predict: x = 4.00 --> y = 8.0000

随机梯度下降

  • 封装类
class Scochastic_gradient:
    
    def __init__(self, w_initial=0.0, n_iter=1000, eta=0.001):
        self.w = w_initial
        self.n_iter = n_iter
        self.eta = eta
        self.delay = 0.1 ** (len(str(n_iter))-1) * n_iter / pow(10, (len(str(n_iter)))-1)
        
    def __predict(self, w, x):
        return w * x
    
    def __loss(self, y, y_pred):
        return (y_pred - y) ** 2
    
    def __gradient(self, x, y, y_pred):
        return 2 * x * (y_pred - y)
    
    def __process(self, data):
        return data if isinstance(data, np.ndarray) else np.array(data)
    
    def train(self, X, y):
        
        X, y = self.__process(X), self.__process(y)
        
        result = {
            'w': [],
            'loss': []
        }
        
        for step in range(1, self.n_iter + 1):
            index = np.random.randint(0, len(X))
            y_pred = self.__predict(X[index], self.w)
            loss = self.__loss(y[index], y_pred)
            
            result['w'].append(self.w)
            result['loss'].append(loss)
            
            print('\rEpoch: {:>{}d}/{} [{}{}] w={:>.2f} loss={:>.4f}'.format(
                step, len(str(self.n_iter)), self.n_iter,
                '■' * int(step/self.n_iter*20),
                '□' * (20 - int(step/self.n_iter*20)),
                self.w, loss
            ), end='')
            
            grad = self.__gradient(X[index], y[index], y_pred)
            self.w -= self.eta * grad
            
            time.sleep(self.delay)
            
#             data_index = list(range(len(X)))
#             np.random.shuffle(data_index)
#             X, y = np.array([X[i] for i in data_index]), np.array([y[i] for i in data_index])
        
        plt.plot(result['w'], result['loss'], '-.', label='loss')
        plt.xlabel('w')
        plt.ylabel('loss')
        plt.legend()
        plt.show()
        
    def predict(self, x):
        pred = self.__predict(x, self.w)
        print('Predict: x = %.2f --> y = %.4f' % (x, pred))
        return pred
  • 训练情况
In[]:	total = TotalGradient(n_iter=10000)
		total.train(X, y)

Out[]:	Epoch: 10000/10000 [■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■] w=2.00 loss=0.000012

在这里插入图片描述

  • 预测结果
In[]:	total.predict(4)

Out[]:	Predict: x = 4.00 --> y = 8.0000

小批量梯度下降

  • 封装类
class Batch_gradient:
    
    def __init__(self, w_initial=0.0, n_iter=1000, eta=0.001, batch_size=5):
        self.w = w_initial
        self.n_iter = n_iter
        self.eta = eta
        self.batch = batch_size
        self.delay = 0.1 ** (len(str(n_iter))-1) * n_iter / pow(10, (len(str(n_iter)))-1)
        
    def __predict(self, w, X):
        return w * X
    
    def __cost(self, y, y_pred):
        return (((y_pred-y)) ** 2).sum() / y.shape[0]
    
    def __gradient(self, X, y, y_pred):
        return (2 * X * (y_pred - y)).sum() / X.shape[0]
    
    def __process(self, data):
        return data if isinstance(data, np.ndarray) else np.array(data)
    
    def train(self, X, y):
        
        X, y = self.__process(X), self.__process(y)
        
        result = {
            'w': [],
            'cost': []
        }
        
        for step in range(1, self.n_iter+1):
            index = np.random.choice(range(0, X.shape[0]), self.batch)
            train_x, train_y = X[index], y[index]
            
            y_pred = self.__predict(self.w, train_x)
            
            cost = self.__cost(train_y, y_pred)
            
            result['w'].append(self.w)
            result['cost'].append(cost)
            
            print('\rEpoch: {:>{}d}/{} [{}{}] w={:>.2f} loss={:>.4f}'.format(
                step, len(str(self.n_iter)), self.n_iter,
                '■' * int(step/self.n_iter*20),
                '□' * (20 - int(step/self.n_iter*20)),
                self.w, cost
            ), end='')
            
            gradient = self.__gradient(train_x, train_y, y_pred)
            self.w -= self.eta * gradient
            
            data_index = list(range(len(X)))
            np.random.shuffle(data_index)
            X, y = np.array([X[i] for i in data_index]), np.array([y[i] for i in data_index])
            
            time.sleep(self.delay)
        
        plt.plot(result['w'], result['cost'], '-.', label='cost')
        plt.xlabel('w')
        plt.ylabel('cost')
        plt.legend()
        plt.show()
    
    def predict(self, x):
        pred = self.__predict(x, self.w)
        print('Predict: x = %.2f --> y = %.4f' % (x, pred))
        return pred
  • 训练情况
In[]:	total = TotalGradient()
		total.train(X, y)

Out[]:	Epoch: 1000/1000 [■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■] w=2.00 loss=0.000062

在这里插入图片描述

  • 预测结果
In[]:	total.predict(4)

Out[]:	Predict: x = 4.00 --> y = 8.0000

圆满完成!!!




结尾

以上就是我要分享的内容,因为学识尚浅,会有不足,还请各位大佬指正。
有什么问题也可在评论区留言。
在这里插入图片描述

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