机器学习实战(用Scikit-learn和TensorFlow进行机器学习)(五)

  上几节讲述了真实数据集在回归问题以及分类问题上的总流程，但是对于模型的选择及参数的选择仍然一知半解，因此本节开始讲述关于模型的一些知识，本节会略过一些比较基础的知识，将一些较为深入的知识。如果在哪个方面没有看懂，可以在网上查询，网上基础资料也比较多，也可以在下方评论。

五、训练模型

1、线性模型

线性模型形如：

y=θ0+θ1x1+θ2x2+⋯θnxn

为了得到使均方误差最小的 θ ，一般采用两种方法：

Normal Equation

使用数学方法推导能直接求得参数 θ 的方法为Normal Equation。而对于线性模型，数学方法为：最小二乘法。

通过最小二乘法能直接得到线性模型：

θ^=(XTX)−1XTy

对应的Scikit-learn中的函数为LinearRegression，下面是一个例子y=4*x+3

import numpy as np
X = 2 * np.random.rand(100, 1)
y = 4 + 3 * X + np.random.randn(100, 1)

from sklearn.linear_model import LinearRegression
lin_reg = LinearRegression()
lin_reg.fit(X, y)
lin_reg.intercept_, lin_reg.coef_

可以看到得到的结果接近4和3，没有达到准确值是由于加入了随机噪声的原因。

  虽然能够精确的得到结果，但是这个算法的复杂度很高，计算 XTX 的逆的算法复杂度就为 O(n2.4)−O(n3) ，如果训练样本非常大，则运行时间会很长。而且这只是只有一种特征的情况，则运行时间会更长。
  因此这种方法适合数据量较小的情况，能够找到精确解。

梯度下降法（Gradient Descent）

  为了处理训练样本数比较大数据，通常采用梯度下降法，得到一个近似解，但是速度较快。梯度下降法就是通过设置学习率eta与迭代次数，每一代计算目标函数的梯度来更新权值的方法。（具体不做介绍）
  学习率太小会导致收敛太慢，学习率太大会导致偏离最优解，因此可以通过之前讲的grid search来调整参数。对于迭代次数可以一开始设置一个比较大的数，当梯度开始变得很小时，则可以停下来，记录迭代次数。

Batch Gradient Descent

Batch Gradient Descent即每次迭代使用所有样本计算梯度，取平均，来更新参数。可以看到这个方法能直接朝着最优解方向前进。

              

eta = 0.1 # learning rate
n_iterations = 1000
m = 100
theta = np.random.randn(2,1) # random initialization
X_b = np.c_[np.ones((100, 1)), X]
for iteration in range(n_iterations):
    gradients = 2/float(m) * X_b.T.dot(X_b.dot(theta) - y)
    theta = theta - eta * gradients

Stochastic Gradient Descent

  由于Batch Gradient Descent每次迭代使用全部训练集，当训练集数据量较大时，训练速度则会很慢。因此与这个相反，随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent）就是每一代随机选择一个样本，计算梯度，更新参数。由于每次只抽取一个样本，因此在大量数据也能很好的计算。

             

  但是当接近最优解时（如图）始终无法收敛到最优解，这是由于每次根据一个样本更新参数，每个样本都有自己的梯度方向，所以会不断的在最优解附近振荡。为了解决这个问题，引入了learning_schedule参数，这个一个学习率衰减参数，在迭代的过程中，不断减少学习率，在迭代结束时学习率非常小，可以看作不再振荡，接近最优解。

随机梯度下降skicit-learn也有对应的函数：其中n_iter为迭代次数，eta0为学习率，penalty下面会说到。

from sklearn.linear_model import SGDRegressor
sgd_reg = SGDRegressor(n_iter=50, penalty=None, eta0=0.1)
sgd_reg.fit(X, y.ravel())
sgd_reg.intercept_, sgd_reg.coef_

Mini-batch Gradient Descent

  结合Batch Gradient Descent和Stochastic Gradient Descent，每一代计算Mini-batch（远小于Batch）个样本的梯度，计算平均值，更新参数。这种方式的好处是能在数据量比较大的训练样本中进行矩阵运算，特别是可以在GPU上计算。（在深度学习中运用的比较多）


2、多项式模型

  如果数据不是简单的一条直线，也可以通过线性模型来训练，其中一种比较简单的方法是通过给训练数据特征开n次方。下面是一个例子：

m = 100
X = 6 * np.random.rand(m, 1) - 3
y = 0.5 * X**2 + X + 2 + np.random.randn(m, 1)

from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
poly_features = PolynomialFeatures(degree=2, include_bias=False)
X_poly = poly_features.fit_transform(X)
X[0],X_poly[0]

可以看到，通过PolynomialFeatures以后，得到新的特征 (x,x2) ，再用这个新特征训练一个线性模型。

lin_reg = LinearRegression()
lin_reg.fit(X_poly, y)

注：若存在两个特征a和b，若degree=2时，不仅增加了 a2 和 b2 ，还有 ab

Learning Curves

  如果使用高degree创造非常多特征来作多项式模型，你能够很好的拟合训练数据。然而这种只对训练数据拟合的情况称为过拟合（如图），而对于线性模型则为欠拟合。

    

  为了检测模型是否有效，在第3节已经讲述了其中一种方法，交叉验证法。下面再介绍一种方法Learning Curves。通过分开训练和验证集，不断调整训练集的数量，计算均方误差来画出曲线，观察训练集和验证集在训练中的情况。

import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.metrics import mean_squared_error
from sklearn.model_selection import train_test_split
def plot_learning_curves(model, X, y):
    X_train, X_val, y_train, y_val = train_test_split(X, y, test_size=0.2)
    train_errors, val_errors = [], []
    for m in range(1, len(X_train)):
        model.fit(X_train[:m], y_train[:m])
        y_train_predict = model.predict(X_train[:m])
        y_val_predict = model.predict(X_val)
        train_errors.append(mean_squared_error(y_train_predict, y_train[:m]))
        val_errors.append(mean_squared_error(y_val_predict, y_val))
    plt.plot(np.sqrt(train_errors), "r-+", linewidth=2, label="train")
    plt.plot(np.sqrt(val_errors), "b-", linewidth=3, label="val")
    plt.xlabel("Training set size")  
    plt.ylabel("RMSE")  

lin_reg = LinearRegression()
plot_learning_curves(lin_reg, X, y)

        

  可以看到当训练集中只有一个或两个实例时，模型可以完美地拟合它们，这就是曲线从零开始的原因。但是，当新样本被添加到训练集时，模型不可能很好地拟合训练数据，这是由于样本是复杂的。再看看验证数据上模型的性能。当模型在很少的训练样本时，就不能很好的泛化推广，这就是为什么验证错误最初是相当大的。当新样本被添加到训练集时，通过学习，从而验证错误缓慢下降。误差最终会停留在一个类似高原的地方。
  上面为degree=1的模型，再看看degree=10的模型

from sklearn.pipeline import Pipeline
polynomial_regression = Pipeline((
("poly_features", PolynomialFeatures(degree=10, include_bias=False)),
("sgd_reg", LinearRegression()),
))
plot_learning_curves(polynomial_regression, X, y)
plt.ylim(0,2) 

          

  可以看到degree=10的训练误差和验证误差都比degree=1的要小。所以该模型较好。我们还可以看到两条曲线中间的间隙，间隙越大，说明过拟合程度越大。


3、正则化线性模型（Regularized Linear Models）

为了防止过拟合，可以给模型损失函数（如均方误差）增加正则项。

Ridge Regression（L2正则化）

Ridge Regression的损失函数为：

J(θ)=MSE(θ)+α12∑i=1nθi2

  可以看到加入后面的正则项后会使 θ 靠近0，直观上可以理解为对 MSE(θ) （即模型）贡献越小的 θ ，惩罚越大，这样的 θ 越小，所以通过正则化能够减小这些无关特征带来的影响。

需要注意的是：在Ridge Regression之前要先对特征进行缩放（标准化或最大最小缩放），这是因为Ridge Regression对特征的尺度大小很敏感。

  同样有两种方法计算最优解Normal Equation和梯度下降法。

  对于Normal Equation结果为：

θ^ = (XTX + αA)−1XTy

对应的代码为

from sklearn.linear_model import Ridge
ridge_reg = Ridge(alpha=1, solver="cholesky")
ridge_reg.fit(X, y)

随机梯度下降L2正则化对应的代码为

from sklearn.linear_model import SGDRegressor
sgd_reg = SGDRegressor(penalty="l2")
sgd_reg.fit(X, y.ravel())

          

   通过设置不同的 α 值，可以看到通过正则化后曲线变得平缓，看起来比没有正则化的曲线有着更好的泛化推广能力。

Lasso Regression（L1正则化）

Lasso Regression的损失函数为：

J(θ)=MSE(θ)+α∑i=1n|θi|

  与L2正则化不同的是，正则项从二次方变为了一次放的绝对值，这就带来的一个特性，不同于L2正则化使得 θ 在原点附近（即大部分 θ 都靠近0），L1正则化使得 θ 更趋向于在坐标轴上（即大部分的 θ 等于零，少部分靠近零），相当于惩罚变得更大。

#最小二乘LASSO方法
from sklearn.linear_model import Lasso
lasso_reg = Lasso(alpha=0.1)
lasso_reg.fit(X, y)

#随机梯度下降正则化L2（线性）
from sklearn.linear_model import SGDRegressor
sgd_reg = SGDRegressor(penalty="l1")
sgd_reg.fit(X, y.ravel())

           

可以看到经过L1正则化后曲线变得更加平缓，更像一条直线。

需要注意的是：L1正则化后会导致在最优点附近震荡，因此要像随机梯度下降一样减小学习率。

Elastic Net

Elastic Net的损失函数为：

J(θ)=MSE(θ)+rα∑i=1n|θi|+1−r2α∑i=1nθi2

  可以看到Elastic Net是L1正则化和L2正则化的结合，通过一个参数调整比例。

#最小二乘ElasticNet方法
from sklearn.linear_model import ElasticNet
elastic_net = ElasticNet(alpha=0.1, l1_ratio=0.5)
elastic_net.fit(X, y)

#随机梯度下降ElasticNet（线性）
from sklearn.linear_model import SGDRegressor
sgd_reg = SGDRegressor(penalty="elasticnet",l1_ratio=0.5)
sgd_reg.fit(X, y.ravel())

如何选择正则化

  加入少量的正则化一般都会给模型带来一定的提升。一般情况下都会选择Ridge（L2正则化）；但是如果得知数据中只有少量的特征是有用的，那么推荐使用Lasso（L1正则化）或Elastic Net；一般来说Elastic Net会比Lasso效果要好，因为当遇到强相关性特征说特征数量大于训练样本时Lasso会表现的很奇怪。

提前中断训练（Early Stopping）

  通过调整迭代次数，在验证误差达到最小时立即停止训练。图中是用Batch Gradient Descent训练的，随着迭代次数的上升，验证集上的预测误差会下降。 但是，过了一段时间验证错误停止下降，反而往上开始回升。 这表明该模型已经开始过度拟合训练数据。 一旦验证错误达到最小，立即停止训练。 这是一种简单而有效的正则化技术。

      

需要注意的是：对于Stochastic 和 Mini-batch Gradient Descent的曲线不会这么平滑。其中一种方案是当到达最低点时，再过一段时间（当你觉得不会再下降），停止，将参数调回到当时的最低点。

下面是一个例子，当warm_start=True时，调用fit()后继续训练模型而不是重新训练模型。

from sklearn.base import clone
sgd_reg = SGDRegressor(n_iter=1, warm_start=True, penalty=None,
learning_rate="constant", eta0=0.0005)
minimum_val_error = float("inf") #正无穷
best_epoch = None
best_model = None
for epoch in range(1000):
    sgd_reg.fit(X_train_poly_scaled, y_train) # 继续训练
    y_val_predict = sgd_reg.predict(X_val_poly_scaled)
    val_error = mean_squared_error(y_val_predict, y_val)
    if val_error < minimum_val_error:
        minimum_val_error = val_error
        best_epoch = epoch
        best_model = clone(sgd_reg) #保存模型

4、Logistic回归（Logistic Regression）

Logistic回归与线性回归模型比较相似，Logistic回归在线性回归模型的基础上增加了sigmoid函数 σ() ，即

hθ(x)=σ(θTx)

其中

σ(t)=11+e−t

损失函数采用对数似然损失函数：

J(θ)=−1m∑i=1m[yilog(hθ(xi))+(1−yi)log(1−hθ(xi)]

训练与线性回归模型相似，可以计算梯度，用梯度下降法更新参数。

  下面利用Logistic回归对真实数据Iris进行分类。Iris数据为150个训练样本，包含4个特征，分为3类。

  首先先用Logistic模型作一个二分类器。取出其中一种特征，判断是否为某一类。

#Iris
import numpy as np
from sklearn import datasets
iris = datasets.load_iris()
X = iris["data"][:, 3:] # 只读取最后一个特征
y = (iris["target"] == 2).astype(np.int) # 取出判断是否为第3类的label

#训练Logistic回归模型
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
log_reg = LogisticRegression()
log_reg.fit(X, y)

对于一个二分类问题，还可以画出判别线

            

注：对于Logistic回归同样需要L1，L2正则化，而这个scikit-learn也默认设置了。


4、Softmax回归（Softmax Regression）

  对于Logistic回归是一个二分类器，然而不需要像第4节所讲到了训练多个二分类器来实现多分类。Logistic回归可以直接扩展成一个多分类器Softmax回归。

  与Logistic回归相似，Softmax回归计算每一类的一个概率，归为概率最大的一类。

Softmax函数为：

p^k=σ(s(x))k=exp(sk(x))∑j=1Kexp(sj(x))

其中：

sk(x)=θkTx

其中K为类别数，需要注意的是 θk 说明每个类别对应有自己的 θ ，所有 θk 组合起来是全部的参数。

对于Softmax回归使用交叉熵（cross entropy）函数作为损失函数：

J(θ)=−1m∑i=1m∑k=1Kyk(i)log(p^k(i))

训练与线性回归模型相似，可以计算每一类的偏导数，用梯度下降法更新每一类的参数。

下面是一个实例，LogisticRegression默认使用（OVA），如果使用Softmax就把multi_class=”multinomial”

X = iris["data"][:, (2, 3)] # petal length, petal width
y = iris["target"]
softmax_reg = LogisticRegression(multi_class="multinomial",solver="lbfgs", C=10)
softmax_reg.fit(X, y)

  上一篇：机器学习实战(用Scikit-learn和TensorFlow进行机器学习)(四)
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