Python 機器學習之線性回歸詳解分析
為了檢驗自己前期對機器學習中線性回歸部分的掌握程度并找出自己在學習中存在的問題,我使用C語言簡單實現(xiàn)了單變量簡單線性回歸。
本文對自己使用C語言實現(xiàn)單變量線性回歸過程中遇到的問題和心得做出總結。
線性回歸
線性回歸是機器學習和統(tǒng)計學中最基礎和最廣泛應用的模型,是一種對自變量和因變量之間關系進行建模的回歸分析。
代碼概述
本次實現(xiàn)的線性回歸為單變量的簡單線性回歸,模型中含有兩個參數(shù):變量系數(shù)w、偏置q。
訓練數(shù)據(jù)為自己使用隨機數(shù)生成的100個隨機數(shù)據(jù)并將其保存在數(shù)組中。采用批量梯度下降法訓練模型,損失函數(shù)使用平方損失函數(shù)。
上圖為整個程序的函數(shù)調用關系。
下面貼代碼:
#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<math.h> #include<time.h> double w, q; int m; //模型 float Model(float x) { float y; y = x * w + q; return y; } //損失函數(shù) double Loss(float *y,float *x) { double L=0; //循環(huán)參數(shù) int i, j, k; for (i = 0; i < m; i++) { L += (pow((y[i] - Model(x[i])), 2)) / (2 * m); } return L; } //梯度下降優(yōu)化函數(shù) void Gradient_Descent_Optimizer(float *x,float *y,float a) { int j, i; double Q = 0, W = 0; for (i = 0; i < m; i++) W += x[i] * (Model(x[i]) - y[i]); W = W / m; for (j = 0; j < m; j++) Q += Model(x[j]) - y[j]; Q = Q / m; printf("W:%f\nQ:%f\n", W, Q); w = w - a * W; q = q - a * Q; } //主函數(shù);訓練過程 int main() { //循環(huán)標志 int i, j; //訓練輪次 int epoch; //損失函數(shù) double L; //學習率 float a; float x[100], y[100]; //隨機數(shù)生成 for (i = 0; i < 100; i++) { x[i] = 0.1*i; y[i] = x[i] * 3 + 5; //+ ((rand() % 11) / 10); printf("X:%.2f,Y:%.2f\n", x[i], y[i]); } //超參數(shù)設置 m = 100; a = 0.05; epoch = 1000; //參數(shù)初始化 w = 2; q = 3; for (j = 0; j < epoch; j++) { Gradient_Descent_Optimizer(x, y, a); L = Loss(y, x); printf("訓練輪次:%d,損失:%f,參數(shù)w的值:%lf,參數(shù)q的值:%lf\n", j+1, L, w, q); } printf("最終值:\nw:%lf\nq:%lf\n", w, q); system("pause"); }
問題總結
下面對在編寫過程中需要注意的問題進行總結:
1.參數(shù)更新
模型中的參數(shù)需要同步更新。所有參數(shù)的更新值經(jīng)過梯度下降法計算得出后要在最后同時更新所有參數(shù)。
2.保留損失函數(shù)
在代碼編寫過程中自己認為不用單獨寫一個損失函數(shù),只需在梯度下降的過程中利用求導后的公式進行相關的參數(shù)優(yōu)化操作即可,但在運行沒有算是函數(shù)的程序時,沒有實時的損失函數(shù)結果評估模型訓練效果可能會導致模型在錯誤的道路上越走越遠。
3.注意數(shù)據(jù)類型
初次運行程序,在訓練至十幾輪時參數(shù)就不再變化,一直到第1000輪參數(shù)都保持不變。后來在檢查代碼時發(fā)現(xiàn),在優(yōu)化函數(shù)將一些參數(shù)的數(shù)據(jù)類型錯誤設置為整型。因此當參數(shù)值改變程度小于1時,參數(shù)將不再變化。
4.超參數(shù)的設置及參數(shù)的初始化
學習率,訓練輪次等的設置是一個對程序編寫者經(jīng)驗要求比較高的工作,需要多次嘗試,找到合適的值,參數(shù)的初始化也是這樣。
心得
本次只是實現(xiàn)了簡單線性回歸的最基本的功能,同時也試一下自己剛買的機械鍵盤(用起來真的很舒服)。這只是我用來練手的程序,如果真的要編寫程序實現(xiàn)功能還是推薦使用python語言搭配TensorFlow、Pytorch等深度學習平臺實現(xiàn)自己想要的功能。程序的可完善空間非常大,比如數(shù)據(jù)和模型的可視化,將數(shù)據(jù)和模型的訓練效果直觀的展示出來,后面還會有序的用C語言實現(xiàn)諸如多元線性回歸,二分類問題,多分類問題甚至卷積神經(jīng)網(wǎng)絡等等。我會在下面貼出使用Python語言編寫的線性回歸的程序,可以兩者結合起來比較一下異同。
# -*- coding: utf-8 -*- """ Spyder Editor This is a temporary script file. """ import matplotlib.pyplot as plt import tensorflow as tf import numpy as np np.random.seed(5) x_data = np.linspace(-1,1,100) y_data = 2 * x_data + 1.0 + np.random.randn(*x_data.shape) * 0.4 np.random.randn(10) #x_data.shape #np.random.randn(*x_data.shape) #np.random.randn(100) plt.scatter(x_data,y_data) plt.plot(x_data, 2 * x_data + 1.0, color = 'red',linewidth=3) x = tf.placeholder("float",name="x") y = tf.placeholder("float",name="y") def model(x,w,b): return tf.multiply(x,w)+b w = tf.Variable(1.0,name="w0") b = tf.Variable(0.0,name="b0") pred = model(x,w,b) train_epochs = 10 learning_rate = 0.05 loss_function = tf.reduce_mean(tf.square(y-pred)) optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(loss_function) sess = tf.Session() init = tf.global_variables_initializer() sess.run(init) i_ci=0 for epoch in range(train_epochs): for xs,ys in zip(x_data,y_data): _, loss=sess.run([optimizer,loss_function],feed_dict={x:xs,y:ys}) b0temp=b.eval(session=sess) w0temp=w.eval(session=sess) plt.plot(x_data,w0temp*x_data+b0temp) print("w:",sess.run(w)) print("b:",sess.run(b)) plt.scatter(x_data,y_data,label='Original data') plt.plot(x_data,x_data*sess.run(w)+sess.run(b),label='Fitted Line',color='r',linewidth=3) plt.legend(loc=2)
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