Bobo老师机器学习笔记第六课-梯度下降法在线性回归中的应用

在上一篇博客中大概介绍了一下梯度下降法，那么梯度下降法在线性回归中如何更好的应用了，本篇博客做一介绍。

在BoBo老师的课程中，梯度下降法主要讲了2中，批量梯度下降法(Batch Gradient Descent)和随机梯度下降法(Stochastic Gradient Descent)。 

一、理论介绍

1、批量梯度下降法（Batch Gradient Descent）

损失函数以及未使用向量化的方程：

进行向量化后的梯度方程：

从上图方程中可以看出，每一次求theta的值都要把所有的样本遍历一遍，所以这是为什么成为批量梯度下降法。

2、随机梯度下降法（Stonastic Gradient Descent）

损失函数不变，但计算计算梯度的方法如下：

从上图的公式可以看出，计算梯度是随机取出其中一个样本进行计算的。此外还要注意学习率的区别：

a一般取5,b为50，i_iters表示当前迭代的次数。 而这个值在批量梯度学习算法中是一个常量，一般是0.01 

二、在线性回归中的应用

# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
from metrics import r2_score


class LinearRegression(object):
    def __init__(self):
        self.coef_ = None  # 表示系数
        self.intercept_ = None  # 表示截距
        self._theta = None  # 过程计算值，不需要暴露给外面

    def fit_normal(self, X_train, y_train):
        """根据训练数据集X_train, y_train， 利用正规方程进行训练Linear Regression模型，利用正规方程训练的时候就不需要对数据进行向量化"""
        assert X_train is not None and y_train is not None, "训练集X和Y不能为空"
        assert X_train.shape[0] == y_train.shape[0], "训练集X和Y的样本数要相等"
        # np.linalg.inv(X) 表示求X的逆矩阵

        # 不能忘了X要增加一列，第一列数据为0
        ones = np.ones(shape=(len(X_train), 1))
        X_train = np.hstack((ones, X_train))
        self._theta = np.linalg.inv(X_train.T.dot(X_train)).dot(X_train.T).dot(y_train)
        self.intercept_ = self._theta[0]
        self.coef_ = self._theta[1:]

    def fit_gd(self, X_train, y_train, eta=0.01, n_iters=1e4):
        """
        用批量梯度下降法训练模型
        :param X_train: 经过向量化的特征数据
        :param y_train:
        :param eta: 步长
        :param n_iters: 迭代次数
        :return:
        """
        def J(theta, X_b, y):
            """
            损失函数
            此处要注意：X_b相对于原特征矩阵多了一列 n * 1的列向量， 所以X_b是(m, n+1)的矩阵
            :return:
            """
            return np.sum((y - X_b.dot(theta)) ** 2) / len(y)

        def DJ(theta, X_b, y):
            """
            获取梯度
            :return:
            """
            # 注释掉的算法是不用向量计算的实现
            # res = np.empty(len(theta))
            # res[0] = np.sum(X_b.dot(theta) - y)
            # for i in range(1, len(theta)):
            #     res[i] = (X_b.dot(theta) - y).dot(X_b[:, i])
            # return res * 2 / len(X_b)
            return X_b.T.dot(X_b.dot(theta) - y) * 2 / len(X_b)

        def gredient_descent(X_b, y, theta, n_inters=1e4, eta=0.01, epsilon=1e-8):
            """
            利用批量梯度下降法训练线性回归
            :param X_b: 是（m, n+1）的矩阵
            :param y:
            :param init_ethta: etha初始化值
            :param n_inters: 迭代次数
            :param eta: 变化率步长， 默认是0.01
            :param epsilon: 精度，用来比较当前etha和上一次etha差值
            :return:
            """
            cur_inter = 0
            while cur_inter < n_inters:
                last_theta = theta
                theta = theta - eta * DJ(theta, X_b, y)
                if abs(J(theta, X_b, y) - J(last_theta, X_b, y)) < epsilon:
                    break
                cur_inter += 1
            return theta

        X_b = np.hstack([np.ones((len(X_train), 1)), X_train])
        init_ethta = np.zeros(X_b.shape[1])
        self._theta = gredient_descent(X_b, y_train, init_ethta, eta=eta, n_inters=n_iters)
        self.coef_ = self._theta[1:]
        self.intercept_ = self._theta[0]

        return self

    def fit_sgd(self, X_train, y_train, n_iters=5, t0=5.0, t1=50.0):
        """
        利用随机梯度下降法训练线性回归
        :param X_train: 向量化的特征值
        :param y_train:
        :param n_iters: 迭代次数
        :param t0: 用来计算学习率
        :param t1: 用来计算学习率
        :return:
        """

        def DJ(theta, X_b_i, y_i):
            """
            获取梯度
            X_b_i: 是X_b向量中的一个样本
            :return:
            """
            return X_b_i.T.dot(X_b_i.dot(theta) - y_i) * 2


        def sgd(X_b, y, theta, n_inters, t0, t1):
            def learning_rate(t):
                return t0 / (t + t1)

            m = len(X_b)
            for cur_index in range(n_inters):
                indexs = np.random.permutation(m)
                X_b_new = X_b[indexs]
                y_new = y[indexs]
                for i in range(m):
                    gradient = DJ(theta, X_b_new[i], y_new[i])
                    theta = theta - learning_rate(cur_index * m + i) * gradient
            return theta

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

    def predict(self, X_test):
        """给定待预测数据集X_test，返回表示X_test的结果向量"""
        assert X_test.shape[1] == self.coef_.shape[0], '测试集X的特征值个数不对'
        ones = np.ones(shape=(len(X_test), 1))
        X_test = np.hstack((ones, X_test))
        return X_test.dot(self._theta)

    def score(self, X_test, y_test):
        """根据测试数据集 X_test 和 y_test 确定当前模型的准确度"""
        assert X_test.shape[0] == y_test.shape[0], '测试集X和Y的个数不相等'
        return r2_score(y_test, self.predict(X_test))

    def __repr__(self):
        return '%s(coef_:%s, intercept_:%s)' % (self.__class__.__name__, self.coef_, self.intercept_)

def test_regession_using_gd():
    from linearregression import LinearRegression
    # step 1: 创建训练数据
    m = 10000  # 假设10000个样本
    x = np.random.normal(size=m)
    X = x.reshape(-1, 1)
    y = 4. * x + 3. + np.random.normal(0, 3, size=m)

    # step 2: 数据标准化
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y)
    standardscaler = StandardScaler()
    standardscaler.fit(X_train)
    x_train_standard = standardscaler.transform(X_train)

    # step 3: 训练模型
    lrg = LinearRegression()
    # 批量梯度下降法
    # lrg.fit_gd(x_train_standard, y_train, eta=0.001, n_iters=1e6)
    # 随机梯度下降法
    lrg.fit_sgd(x_train_standard, y_train)

    # step 4： 获取评分
    x_test_standard = standardscaler.transform(X_test)
    print 'score:', lrg.score(x_test_standard, y_test)

运行结果：

批量梯度下降法

LinearRegression(coef_:[4.01485425], intercept_:3.0079330321024687)
score: 0.6569687845397328

随机梯度下降法
LinearRegression(coef_:[3.96601229], intercept_:3.030732598906986) score: 0.644882902625483

三、在Sklearn中的实现

def test_sklearn():

    # step 1: 创建训练数据
    m = 10000  # 假设10000个样本
    x = np.random.normal(size=m)
    X = x.reshape(-1, 1)
    y = 4. * x + 3. + np.random.normal(0, 3, size=m)

    # step 2: 数据标准化
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y)
    standardscaler = StandardScaler()
    standardscaler.fit(X_train)
    x_train_standard = standardscaler.transform(X_train)

    # step 3:调用sklearn模型
    from sklearn.linear_model import SGDRegressor
    # 随机梯度下降法
    sgr = SGDRegressor()
    sgr.fit(x_train_standard, y_train)
    print sgr

    # step 4： 获取评分
    x_test_standard = standardscaler.transform(X_test)
    print 'score:', sgr.score(x_test_standard, y_test)

运行结果：

SGDRegressor(alpha=0.0001, average=False, epsilon=0.1, eta0=0.01,
       fit_intercept=True, l1_ratio=0.15, learning_rate='invscaling',
       loss='squared_loss', max_iter=None, n_iter=None, penalty='l2',
       power_t=0.25, random_state=None, shuffle=True, tol=None, verbose=0,
       warm_start=False)
score: 0.6465744359869433

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