python實現(xiàn)隨機梯度下降法
看這篇文章前強烈建議你看看上一篇python實現(xiàn)梯度下降法:
一、為什么要提出隨機梯度下降算法
注意看梯度下降法權值的更新方式(推導過程在上一篇文章中有)

也就是說每次更新權值
都需要遍歷整個數(shù)據(jù)集(注意那個求和符號),當數(shù)據(jù)量小的時候,我們還能夠接受這種算法,一旦數(shù)據(jù)量過大,那么使用該方法會使得收斂過程極度緩慢,并且當存在多個局部極小值時,無法保證搜索到全局最優(yōu)解。為了解決這樣的問題,引入了梯度下降法的進階形式:隨機梯度下降法。
二、核心思想
對于權值的更新不再通過遍歷全部的數(shù)據(jù)集,而是選擇其中的一個樣本即可(對于程序員來說你的第一反應一定是:在這里需要一個隨機函數(shù)來選擇一個樣本,不是嗎?),一般來說其步長的選擇比梯度下降法的步長要小一點,因為梯度下降法使用的是準確梯度,所以它可以朝著全局最優(yōu)解(當問題為凸問題時)較大幅度的迭代下去,但是隨機梯度法不行,因為它使用的是近似梯度,或者對于全局來說有時候它走的也許根本不是梯度下降的方向,故而它走的比較緩,同樣這樣帶來的好處就是相比于梯度下降法,它不是那么容易陷入到局部最優(yōu)解中去。
三、權值更新方式

(i表示樣本標號下標,j表示樣本維數(shù)下標)
四、代碼實現(xiàn)(大體與梯度下降法相同,不同在于while循環(huán)中的內(nèi)容)
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import axes3d
from matplotlib import style
#構造數(shù)據(jù)
def get_data(sample_num=1000):
"""
擬合函數(shù)為
y = 5*x1 + 7*x2
:return:
"""
x1 = np.linspace(0, 9, sample_num)
x2 = np.linspace(4, 13, sample_num)
x = np.concatenate(([x1], [x2]), axis=0).T
y = np.dot(x, np.array([5, 7]).T)
return x, y
#梯度下降法
def SGD(samples, y, step_size=2, max_iter_count=1000):
"""
:param samples: 樣本
:param y: 結果value
:param step_size: 每一接迭代的步長
:param max_iter_count: 最大的迭代次數(shù)
:param batch_size: 隨機選取的相對于總樣本的大小
:return:
"""
#確定樣本數(shù)量以及變量的個數(shù)初始化theta值
m, var = samples.shape
theta = np.zeros(2)
y = y.flatten()
#進入循環(huán)內(nèi)
loss = 1
iter_count = 0
iter_list=[]
loss_list=[]
theta1=[]
theta2=[]
#當損失精度大于0.01且迭代此時小于最大迭代次數(shù)時,進行
while loss > 0.01 and iter_count < max_iter_count:
loss = 0
#梯度計算
theta1.append(theta[0])
theta2.append(theta[1])
#樣本維數(shù)下標
rand1 = np.random.randint(0,m,1)
h = np.dot(theta,samples[rand1].T)
#關鍵點,只需要一個樣本點來更新權值
for i in range(len(theta)):
theta[i] =theta[i] - step_size*(1/m)*(h - y[rand1])*samples[rand1,i]
#計算總體的損失精度,等于各個樣本損失精度之和
for i in range(m):
h = np.dot(theta.T, samples[i])
#每組樣本點損失的精度
every_loss = (1/(var*m))*np.power((h - y[i]), 2)
loss = loss + every_loss
print("iter_count: ", iter_count, "the loss:", loss)
iter_list.append(iter_count)
loss_list.append(loss)
iter_count += 1
plt.plot(iter_list,loss_list)
plt.xlabel("iter")
plt.ylabel("loss")
plt.show()
return theta1,theta2,theta,loss_list
def painter3D(theta1,theta2,loss):
style.use('ggplot')
fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_subplot(111, projection='3d')
x,y,z = theta1,theta2,loss
ax1.plot_wireframe(x,y,z, rstride=5, cstride=5)
ax1.set_xlabel("theta1")
ax1.set_ylabel("theta2")
ax1.set_zlabel("loss")
plt.show()
if __name__ == '__main__':
samples, y = get_data()
theta1,theta2,theta,loss_list = SGD(samples, y)
print(theta) # 會很接近[5, 7]
painter3D(theta1,theta2,loss_list)
以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學習有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。
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