进行实验前,我们需要先导入torch包。
import torch
首先,我们构造一个小的回归数据集。假设输入特征和输出标签的维度都为1,那么我们来定义一个被拟合的函数。
def linefunc(x, w=1.8, b=0.5):
y = w * x + b
return y
接下来的内容都将以 y = 1.8 x + 0.5 \ y=1.8x+0.5 y=1.8x+0.5 这个被拟合函数为基准进行操作。
# create_data.py
def create_data(func, interval, sample_num, noise, add_outlier=False, outlier_ratio=0.001):
"""
根据给定的函数,生成样本
输入:
- func:函数
- interval: x的取值范围
- sample_num: 样本数目
- noise: 噪声均方差
- add_outlier:是否生成异常值
- outlier_ratio:异常值占比
输出:
- X: 特征数据,shape=[n_samples,1]
- y: 标签数据,shape=[n_samples,1]
"""
# 均匀采样
# 使用paddle.rand在生成sample_num个随机数
X = torch.rand(sample_num) * (interval[1] - interval[0]) + interval[0]
y = func(X)
# 生成高斯分布的标签噪声
# 使用paddle.normal生成概率分布为N~(0,noise^2)的数据
epsilon = torch.normal(0, noise, y.shape)
y = y + epsilon
if add_outlier: # 生成额外的异常点
outlier_num = int(len(y) * outlier_ratio)
if outlier_num != 0:
# 使用paddle.randint生成服从均匀分布的、范围在[0, len(y))的随机张量
outlier_idx = torch.randint(len(y), [outlier_num])
y[outlier_idx] = y[outlier_idx] * 5
return X, y
利用上面的生成样本函数,生成150个带噪音的样本,其中100个训练样本,50个测试样本,并打印出训练数据的可视化分布。
from matplotlib import pyplot as plt
from create_data import create_data
def data_processing(func, interval, train_num, test_num, step, noise):
X_train, y_train = create_data(func=func, interval=interval, sample_num=train_num, noise=noise, add_outlier=False)
X_test, y_test = create_data(func=func, interval=interval, sample_num=test_num, noise=noise, add_outlier=False)
# paddle.linspace返回一个张量,张量的值为在区间start和stop上均匀间隔的num个值,输出张量的长度为num
X_underlying = torch.linspace(interval[0], interval[1], step)
y_underlying = func(X_underlying)
return X_train, y_train, X_test, y_test, X_underlying, y_underlying
func = linefunc
interval = (-10, 10) # x的取值范围
train_num, test_num = 100, 50 # 训练样本数目和测试样本数目
noise = 3 # 标准差
step = 100
X_train, y_train, X_test, y_test, X_underlying, y_underlying = data_processing(func, interval, train_num, test_num, step, noise)
# 绘制数据
plt.scatter(X_train, y_train, marker='*', facecolor="none", edgecolor='#9932CC', s=50, label="train data") # 训练数据标点颜色为暗紫色 (darkorchid)
plt.scatter(X_test, y_test, facecolor="none", edgecolor='#00BFFF', s=50, label="test data") # 测试数据标点颜色为深天蓝色 (deepskyblue)
plt.plot(X_underlying, y_underlying, c='#000000', label=r"underlying distribution")
plt.legend(fontsize='x-large') # 给图像加图例
plt.savefig('ml-vis.pdf') # 保存图像到PDF文件中
plt.show()
代码执行结果如下图所示:
这里的data_processing中的内容在本次实验后续内容还会再次使用,所以将其写成函数。
在线性回归中,自变量为样本的特征向量 x ∈ R D \ \boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^D x∈RD(每一维对应一个自变量),因变量是连续值的标签 y ∈ R \ y \in R y∈R。
线性模型定义为:
f ( x ; w , b ) = w T x + b \begin{align} f(\boldsymbol{x}; \boldsymbol{w},b)= \boldsymbol{w}^T \boldsymbol{x}+b \end{align} f(x;w,b)=wTx+b其中权重向量 w ∈ R D \ \boldsymbol{w} \in \mathbb{R}^D w∈RD和偏置 b ∈ R \ b \in \mathbb{R} b∈R都是可学习的参数。[1]
在实践中,为了提高预测样本的效率,我们通常会将 N \ N N 样本归为一组进行成批地预测,这样可以更好地利用GPU设备的并行计算能力。
y = X w + b \begin{align} \boldsymbol{y} = \boldsymbol{X} \boldsymbol{w} + b \end{align} y=Xw+b其中 X ∈ R N × D \ \boldsymbol{X} \in \mathbb{R}^{N \times D} X∈RN×D 为 N \ N N 个样本的特征矩阵, y ∈ R N \ \boldsymbol{y} \in \mathbb{R}^N y∈RN 为 N \ N N 个预测值组成的列向量。[1]
好了,接下来我们先定义一个算子(op.py):
# op.py
import torch
torch.manual_seed(10) # 设置随机种子
class Op(object):
def __init__(self):
pass
def __call__(self, inputs):
return self.forward(inputs)
def forward(self, inputs):
raise NotImplementedError
def backward(self, inputs):
raise NotImplementedError
# 线性算子
class Linear(Op):
def __init__(self, input_size):
"""
输入:
- input_size:模型要处理的数据特征向量长度
"""
self.input_size = input_size
# 模型参数
self.params = {}
self.params['w'] = torch.randn(self.input_size, 1)
self.params['b'] = torch.zeros([1])
def __call__(self, X):
return self.forward(X)
# 前向函数
def forward(self, X):
"""
输入:
- X: tensor, shape=[N,D]
注意这里的X矩阵是由N个x向量的转置拼接成的,与原教材行向量表示方式不一致
输出:
- y_pred: tensor, shape=[N]
"""
N, D = X.shape
if self.input_size == 0:
return torch.full(size=[N, 1], fill_value=self.params['b'])
assert D == self.input_size # 输入数据维度合法性验证
# 使用torch.matmul计算两个tensor的乘积
y_pred = torch.matmul(X, self.params['w']) + self.params['b']
return y_pred
然后我们来构建一个线性回归模型:
import op
# 注意这里我们为了和后面章节统一,这里的X矩阵是由N个x向量的转置拼接成的,与原教材行向量表示方式不一致
input_size = 3
N = 2
X = torch.randn(N, input_size) # 生成2个维度为3的数据
model = op.Linear(input_size)
y_pred = model(X)
print("y_pred:", y_pred) # 输出结果的个数也是2个
代码执行结果:
y_pred: tensor([[1.8529],
[0.6011]])
回归任务是对连续值的预测,希望模型能根据数据的特征输出一个连续值作为预测值。因此回归任务中常用的评估指标是均方误差。
令 y ∈ R N \ \boldsymbol{y} \in \mathbb{R}^N y∈RN, y ^ ∈ R N \ \hat{\boldsymbol{y}} \in \mathbb{R}^N y^∈RN分别为 N \ N N 个样本的真实标签和预测标签,均方误差的定义为:
L ( y , y ^ ) = 1 2 N ∥ y − y ^ ∥ 2 = 1 2 N ∥ X w + b − y ∥ 2 \begin{align} \mathcal{L}(\boldsymbol{y},\hat{\boldsymbol{y}})=\frac{1}{2N}\|\boldsymbol{y}-\hat{\boldsymbol{y}}\|^2=\frac{1}{2N}\|\boldsymbol{X}\boldsymbol{w}+\boldsymbol{b}-\boldsymbol{y}\|^2 \end{align} L(y,y^)=2N1∥y−y^∥2=2N1∥Xw+b−y∥2其中 b \ \boldsymbol{b} b 为 N \ N N 维向量,所有元素取值都为 b \ b b。[1]
首先我们需要写一个均方误差函数的代码:
# mean_squared_error.py
import torch
def mean_squared_error(y_true, y_pred):
assert y_true.shape[0] == y_pred.shape[0]
# torch.square 计算输入的平方值
# torch.mean 沿 axis 计算 x 的平均值,默认axis是None, 则对输入的全部元素计算平均值。
error = torch.mean(torch.square(y_true - y_pred))
return error
然后我们构造一个样例来测试一下:
from mean_squared_error import mean_squared_error
# 构造一个简单的样例进行测试:[N,1], N=2
y_true = torch.tensor([[-0.2], [4.9]], dtype=torch.float32) # tensor, 样本真实标签
y_pred = torch.tensor([[1.3], [2.5]], dtype=torch.float32) # tensor, 样本预测标签
error = mean_squared_error(y_true=y_true, y_pred=y_pred).item() # error: float, 误差值
print("error:", error)
代码执行结果:
error: 4.005000114440918
参数学习的过程通过优化器完成。由于我们可以基于最小二乘方法可以直接得到线性回归的解析解,此处的训练是求解析解的过程,代码实现如下:
# optimizer.py
import torch
def optimizer_lsm(model, X, y, reg_lambda=0):
"""
输入:
- model: 模型
- X: tensor, 特征数据,shape=[N,D]
- y: tensor,标签数据,shape=[N]
- reg_lambda: float, 正则化系数,默认为0
输出:
- model: 优化好的模型
"""
N, D = X.shape
# 对输入特征数据所有特征向量求平均
x_bar_tran = torch.mean(X, axis=0).T
# 求标签的均值,shape=[1]
y_bar = torch.mean(y)
# torch.subtract通过广播的方式实现矩阵减向量
x_sub = torch.subtract(X, x_bar_tran)
# 使用torch.all判断输入tensor是否全0
if torch.all(x_sub == 0):
model.params['w'] = torch.zeros(size=[D])
model.params['b'] = y_bar
return model
# torch.inverse求方阵的逆
tmp = torch.inverse(torch.matmul(x_sub.T, x_sub) + reg_lambda * torch.eye(D))
w = torch.matmul(torch.matmul(tmp, x_sub.T), (y - y_bar))
b = y_bar - torch.matmul(x_bar_tran, w)
model.params['w'] = torch.squeeze(w, axis=-1)
model.params['b'] = b
return model
在准备了数据、模型、损失函数和参数学习的实现之后,我们开始模型的训练。在回归任务中,模型的评价指标和损失函数一致,都为均方误差。
通过上文实现的线性回归类来拟合训练数据,并输出模型在训练集上的损失。
from opitimizer import optimizer_lsm
input_size = 1
model = op.Linear(input_size)
model = optimizer_lsm(model, X_train.reshape([-1, 1]), y_train.reshape([-1, 1]))
print("w_pred:", model.params['w'].item(), "b_pred: ", model.params['b'].item())
y_train_pred = model(X_train.reshape([-1, 1])).squeeze()
train_error = mean_squared_error(y_true=y_train, y_pred=y_train_pred).item()
print("train error: ", train_error)
X_train_large, y_train_large = create_data(func=func, interval=interval, sample_num=5000, noise = noise, add_outlier = False)
model_large = op.Linear(input_size)
model_large = optimizer_lsm(model_large,X_train_large.reshape([-1,1]),y_train_large.reshape([-1,1]))
print("w_pred large:",model_large.params['w'].item(), "b_pred large: ", model_large.params['b'].item())
y_train_pred_large = model_large(X_train_large.reshape([-1,1])).squeeze()
train_error_large = mean_squared_error(y_true=y_train_large, y_pred=y_train_pred_large).item()
print("train error large: ",train_error_large)
代码执行结果:
w_pred: 1.7244662046432495 b_pred: 0.10675737261772156
train error: 9.735129356384277
w_pred large: 1.7934911251068115 b_pred large: 0.48613476753234863
train error large: 8.730573654174805
显然, w \ w w 和 b \ b b 的预测值与真实值 ( 1.8 , 0.5 ) \ (1.8,0.5) (1.8,0.5) 有一定的差距。
下面用训练好的模型预测一下测试集的标签,并计算在测试集上的损失。
y_test_pred = model(X_test.reshape([-1, 1])).squeeze()
test_error = mean_squared_error(y_true=y_test, y_pred=y_test_pred).item()
print("test error: ", test_error)
y_test_pred_large = model_large(X_test.reshape([-1,1])).squeeze()
test_error_large = mean_squared_error(y_true=y_test, y_pred=y_test_pred_large).item()
print("test error large: ",test_error_large)
代码执行结果:
test error: 8.030173301696777
test error large: 6.8764328956604
还没完事,咱们来加一点训练数据的样本数量,再加点正则化系数的调整。
(1)调整训练数据的样本数量
修改的部分代码如下所示:
train_num, test_num = 5000, 50 # 训练样本数目和测试样本数目
代码执行结果:
w_pred: 1.8004437685012817 b_pred: 0.45358312129974365
train error: 8.924786567687988
w_pred large: 1.7934911251068115 b_pred large: 0.48613476753234863
train error large: 8.730573654174805
test error: 8.784930229187012
test error large: 8.785351753234863
相比于原训练样本数目,新的训练样本数目更多,计算得到的 w \ w w 和 b \ b b 和被拟合函数的更相近。
(2)调整正则化系数
修改的部分代码如下所示:
def optimizer_lsm(model, X, y, reg_lambda=5):
代码执行结果:
w_pred: 1.7161484956741333 b_pred: 0.4196764826774597
train error: 10.837532043457031
w_pred large: 1.7934348583221436 b_pred large: 0.4861411154270172
train error large: 8.730573654174805
test error: 9.686600685119629
test error large: 9.726728439331055
正则化系数调整后对训练没什么影响,这说明训练模型没有发生过拟合。
多项式回归是回归任务的一种形式,其中自变量和因变量之间的关系是 M \ M M 次多项式的一种线性回归形式,即:
f ( x ; w ) = w 1 x + w 2 x 2 + . . . + w M x M + b = w T ϕ ( x ) + b \begin{align} f(\boldsymbol{x};\boldsymbol{w})=w_1x+w_2x^2+...+w_Mx^M+b=\boldsymbol{w}^T\phi(x)+b \end{align} f(x;w)=w1x+w2x2+...+wMxM+b=wTϕ(x)+b其中 M \ M M 为多项式的阶数, w = [ w 1 , . . . , w M ] T \ \boldsymbol{w}=[w_1,...,w_M]^T w=[w1,...,wM]T 为多项式的系数, ϕ ( x ) = [ x , x 2 , ⋯ , x M ] T \ \phi(x)=[x,x^2,\cdots,x^M]^T ϕ(x)=[x,x2,⋯,xM]T 为多项式基函数,将原始特征 x \ x x 映射为 M \ M M 维的向量。当 M = 0 \ M=0 M=0 时, f ( x ; w ) = b \ f(\boldsymbol{x};\boldsymbol{w})=b f(x;w)=b。
公式 ( 4 ) \ (4) (4) 展示的是特征维度为1的多项式表达,当特征维度大于1时,存在不同特征之间交互的情况,这是线性回归无法实现。公式 ( 5 ) \ (5) (5) 展示的是当特征维度为2,多项式阶数为2时的多项式回归:
f ( x ; w ) = w 1 x 1 + w 2 x 2 + w 3 x 1 2 + w 4 x 1 x 2 + w 5 x 2 2 + b \begin{align} f(\boldsymbol{x};\boldsymbol{w})=w_1x_1+w_2x_2+w_3x_1^2+w_4x_1x_2+w_5x_2^2+b \end{align} f(x;w)=w1x1+w2x2+w3x12+w4x1x2+w5x22+b[1]
接下来我们基于特征维度为1的自变量介绍多项式回归实验。
假设我们要拟合的非线性函数为一个缩放后的 s i n \ sin sin 函数。
# sin函数: sin(2 * pi * x)
def sin(x):
y = torch.sin(2 * math.pi * x)
return y
构建训练和测试数据的方式和前文的方式相同,其中训练数样本15个,测试样本10个,高斯噪声标准差为0.5,自变量范围为 (0,1)。
# 生成数据
func = sin
interval = (0, 1)
train_num, test_num = 15, 10
noise = 0.5 # 0.1
step = 100
X_train, y_train, X_test, y_test, X_underlying, y_underlying = data_processing(func, interval, train_num, test_num, step, noise)
# 绘制图像
plt.rcParams['figure.figsize'] = (8.0, 6.0)
plt.scatter(X_train, y_train, marker='*', facecolor="none", edgecolor='#9932CC', s=50, label="train data")
# plt.scatter(X_test, y_test, facecolor="none", edgecolor="r", s=50, label="test data")
plt.plot(X_underlying, y_underlying, c='#00BFFF', label=r"$\sin(2\pi x)$")
plt.legend(fontsize='x-large')
plt.savefig('ml-vis2.pdf')
plt.show()
在输出结果中,绿色的曲线是周期为1的 s i n \ sin sin 函数曲线,蓝色的圆圈为生成的训练样本数据,红色的圆圈为生成的测试样本数据。
通过多项式的定义可以看出,多项式回归和线性回归一样,同样学习参数 w \ \boldsymbol{w} w,只不过需要对输入特征 ϕ ( x ) \ \phi(x) ϕ(x) 根据多项式阶数进行变换。因此,我们可以套用求解线性回归参数的方法来求解多项式回归参数。
def polynomial_basis_function(x, degree=2):
"""
输入:
- x: tensor, 输入的数据,shape=[N,1]
- degree: int, 多项式的阶数
example Input: [[2], [3], [4]], degree=2
example Output: [[2^1, 2^2], [3^1, 3^2], [4^1, 4^2]]
注意:本案例中,在degree>=1时不生成全为1的一列数据;degree为0时生成形状与输入相同,全1的Tensor
输出:
- x_result: tensor
"""
if degree == 0:
return torch.ones(size=x.shape, dtype=torch.float32)
x_tmp = x
x_result = x_tmp
for i in range(2, degree + 1):
x_tmp = torch.multiply(x_tmp, x) # 逐元素相乘
x_result = torch.concat((x_result, x_tmp), axis=-1)
return x_result
# 简单测试
data = [[2], [3], [4]]
X = torch.tensor(data=data, dtype=torch.float32)
degree = 3
transformed_X = polynomial_basis_function(X, degree=degree)
print("转换前:", X)
print("阶数为", degree, "转换后:", transformed_X)
代码执行结果:
转换前: tensor([[2.],
[3.],
[4.]])
阶数为 3 转换后: tensor([[ 2., 4., 8.],
[ 3., 9., 27.],
[ 4., 16., 64.]])
对于多项式回归,我们可以同样使用前面线性回归中定义的LinearRegression算子、训练函数train、均方误差函数mean_squared_error。拟合训练数据的目标是最小化损失函数,同线性回归一样,也可以通过矩阵运算直接求出 w \ \boldsymbol{w} w 的值。
我们设定不同的多项式阶, M \ M M 的取值分别为0、1、3、8,之前构造的训练集上进行训练,观察样本数据对 s i n \ sin sin 曲线的拟合结果。
from opitimizer import optimizer_lsm
plt.rcParams['figure.figsize'] = (12.0, 8.0)
for i, degree in enumerate([0, 1, 3, 8]): # []中为多项式的阶数
model = op.Linear(degree)
X_train_transformed = polynomial_basis_function(X_train.reshape([-1, 1]), degree)
X_underlying_transformed = polynomial_basis_function(X_underlying.reshape([-1, 1]), degree)
model = optimizer_lsm(model, X_train_transformed, y_train.reshape([-1, 1])) # 拟合得到参数
y_underlying_pred = model(X_underlying_transformed).squeeze()
print(model.params)
# 绘制图像
plt.subplot(2, 2, i + 1)
plt.scatter(X_train, y_train, marker='*', facecolor="none", edgecolor='#9370DB', s=50, label="train data")
plt.plot(X_underlying, y_underlying, c='#000000', label=r"$\sin(2\pi x)$")
plt.plot(X_underlying, y_underlying_pred, c='#FF0000', label="predicted function")
plt.ylim(-2, 1.5)
plt.annotate("M={}".format(degree), xy=(0.95, -1.4))
# plt.legend(bbox_to_anchor=(1.05, 0.64), loc=2, borderaxespad=0.)
plt.legend(loc='lower left', fontsize='x-large')
plt.savefig('ml-vis3.pdf')
plt.show()
代码执行结果:
{'w': tensor([0.]), 'b': tensor(-0.0696)}
{'w': tensor([-2.3304]), 'b': tensor([1.1818])}
{'w': tensor([ 21.8905, -54.1687, 34.9021]), 'b': tensor([-1.7652])}
{'w': tensor([ 102.5296, -319.9999, 344.7184, 40.8362, -252.0008, 55.0874,
-10.3919, 51.4386]), 'b': tensor([-10.1180])}
执行代码后得到下图:
观察可视化结果,红色的曲线表示不同阶多项式分布拟合数据的结果:
当 M = 0 \ M=0 M=0 或 M = 1 \ M=1 M=1 时,拟合曲线较简单,模型欠拟合;
当 M = 8 \ M=8 M=8 时,拟合曲线较复杂,模型过拟合;
当 M = 3 \ M=3 M=3 时,模型拟合最为合理。
下面通过均方误差来衡量训练误差、测试误差以及在没有噪音的加入下 s i n \ sin sin 函数值与多项式回归值之间的误差,更加真实地反映拟合结果。多项式分布阶数从0到8进行遍历。
from mean_squared_error import mean_squared_error
# 训练误差和测试误差
training_errors = []
test_errors = []
distribution_errors = []
# 遍历多项式阶数
for i in range(9):
model = op.Linear(i)
X_train_transformed = polynomial_basis_function(X_train.reshape([-1, 1]), i)
X_test_transformed = polynomial_basis_function(X_test.reshape([-1, 1]), i)
X_underlying_transformed = polynomial_basis_function(X_underlying.reshape([-1, 1]), i)
optimizer_lsm(model, X_train_transformed, y_train.reshape([-1, 1]))
y_train_pred = model(X_train_transformed).squeeze()
y_test_pred = model(X_test_transformed).squeeze()
y_underlying_pred = model(X_underlying_transformed).squeeze()
train_mse = mean_squared_error(y_true=y_train, y_pred=y_train_pred).item()
training_errors.append(train_mse)
test_mse = mean_squared_error(y_true=y_test, y_pred=y_test_pred).item()
test_errors.append(test_mse)
# distribution_mse = mean_squared_error(y_true=y_underlying, y_pred=y_underlying_pred).item()
# distribution_errors.append(distribution_mse)
print("train errors: \n", training_errors)
print("test errors: \n", test_errors)
# print ("distribution errors: \n", distribution_errors)
# 绘制图片
plt.rcParams['figure.figsize'] = (8.0, 6.0)
plt.plot(training_errors, '-.', mfc="none", mec='#FF0000', ms=10, c='#FF0000', label="Training")
plt.plot(test_errors, '--', mfc="none", mec='#FF69B4', ms=10, c='#FF69B4', label="Test")
# plt.plot(distribution_errors, '-', mfc="none", mec="#3D3D3F", ms=10, c="#3D3D3F", label="Distribution")
plt.legend(fontsize='x-large')
plt.xlabel("degree")
plt.ylabel("MSE")
plt.savefig('ml-mse-error.pdf')
plt.show()
代码执行结果:
train errors:
[0.6441656351089478, 0.45997682213783264, 0.3104371428489685, 0.20104871690273285, 0.19899645447731018, 0.20385366678237915, 0.8440933227539062, 0.31182458996772766, 0.2052197903394699]
test errors:
[0.6824741363525391, 0.4967922568321228, 1.1924924850463867, 0.18429550528526306, 0.44991421699523926, 2.477367877960205, 4.155946254730225, 2.193247079849243, 1.981374740600586]
对于模型过拟合的情况,可以引入正则化方法,通过向误差函数中添加一个惩罚项来避免系数倾向于较大的取值。下面加入 l 2 \ \mathcal{l_{2}} l2 正则化项,查看拟合结果。
degree = 8 # 多项式阶数
reg_lambda = 0.0001 # 正则化系数
X_train_transformed = polynomial_basis_function(X_train.reshape([-1, 1]), degree)
X_test_transformed = polynomial_basis_function(X_test.reshape([-1, 1]), degree)
X_underlying_transformed = polynomial_basis_function(X_underlying.reshape([-1, 1]), degree)
model = op.Linear(degree)
optimizer_lsm(model, X_train_transformed, y_train.reshape([-1, 1]))
y_test_pred = model(X_test_transformed).squeeze()
y_underlying_pred = model(X_underlying_transformed).squeeze()
model_reg = op.Linear(degree)
optimizer_lsm(model_reg, X_train_transformed, y_train.reshape([-1, 1]), reg_lambda=reg_lambda)
y_test_pred_reg = model_reg(X_test_transformed).squeeze()
y_underlying_pred_reg = model_reg(X_underlying_transformed).squeeze()
mse = mean_squared_error(y_true=y_test, y_pred=y_test_pred).item()
print("mse:", mse)
mes_reg = mean_squared_error(y_true=y_test, y_pred=y_test_pred_reg).item()
print("mse_with_l2_reg:", mes_reg)
# 绘制图像
plt.scatter(X_train, y_train, marker='*', facecolor="none", edgecolor="#9370DB", s=50, label="train data")
plt.plot(X_underlying, y_underlying, c='#000000', label=r"$\sin(2\pi x)$")
plt.plot(X_underlying, y_underlying_pred, c='#FF0000', linestyle="--", label="$deg. = 8$")
plt.plot(X_underlying, y_underlying_pred_reg, c='#FF69B4', linestyle="-.", label="$deg. = 8, \ell_2 reg$")
plt.ylim(-1.5, 1.5)
plt.annotate("lambda={}".format(reg_lambda), xy=(0.82, -1.4))
plt.legend(fontsize='large')
plt.savefig('ml-vis4.pdf')
plt.show()
代码执行结果:
mse: 1.981374740600586
mse_with_l2_reg: 0.1406262069940567
执行代码后得到下图:
观察可视化结果,其中黄色曲线为加入 l 2 \ \mathcal{l_{2}} l2 正则后多项式分布拟合结果,红色曲线为未加入 l 2 \ \mathcal{l_{2}} l2 正则的拟合结果,黄色曲线的拟合效果明显好于红色曲线。
通过上面的实践,我们可以看到,在一个任务上应用机器学习方法的流程基本上包括:数据集构建、模型构建、损失函数定义、优化器、模型训练、模型评价、模型预测等环节。
为了更方便地将上述环节规范化,我们将机器学习模型的基本要素封装成一个Runner类。除上述提到的要素外,再加上模型保存、模型加载等功能。
Runner类的成员函数定义如下表所示:[2]
函数 | 定义 |
---|---|
__ init __ | 实例化Runner类时默认调用,需要传入模型、损失函数、优化器和评价指标等 |
train | 完成模型训练,指定模型训练需要的训练集和验证集 |
evaluate | 通过对训练好的模型进行评价,在验证集或测试集上查看模型训练效果 |
predict | 选取一条数据对训练好的模型进行预测 |
save_model | 模型在训练过程和训练结束后需要进行保存 |
load_model | 调用加载之前保存的模型 |
Runner类的框架定义如下:
# Runner.py
import os
class Runner(object):
def __init__(self, model, optimizer, loss_fn, metric):
# 优化器和损失函数为None,不再关注
# 模型
self.model = model
# 评估指标
self.metric = metric
# 优化器
self.optimizer = optimizer
def train(self, dataset, reg_lambda, model_dir):
X, y = dataset
self.optimizer(self.model, X, y, reg_lambda)
# 保存模型
self.save_model(model_dir)
def evaluate(self, dataset, **kwargs):
X, y = dataset
y_pred = self.model(X)
result = self.metric(y_pred, y)
return result
def predict(self, X, **kwargs):
return self.model(X)
def save_model(self, model_dir):
if not os.path.exists(model_dir):
os.makedirs(model_dir)
params_saved_path = os.path.join(model_dir, 'params.pdtensor')
torch.save(self.model.params, params_saved_path)
def load_model(self, model_dir):
params_saved_path = os.path.join(model_dir, 'params.pdtensor')
self.model.params = torch.load(params_saved_path)
Runner类的流程如上图所示,可以分为4个阶段:
初始化阶段:传入模型、损失函数、优化器和评价指标。
模型训练阶段:基于训练集调用 t r a i n ( ) \ train() train() 函数训练模型,基于验证集通过 e v a l u a t e ( ) \ evaluate() evaluate() 函数验证模型。通过 s a v e \ save save _ m o d e l ( ) \_model() _model() 函数保存模型。
模型评价阶段:基于测试集通过 e v a l u a t e ( ) \ evaluate() evaluate() 函数得到指标性能。
模型预测阶段:给定样本,通过 p r e d i c t ( ) \ predict() predict() 函数得到该样本标签。[2]
在本节中,我们使用线性回归来对马萨诸塞州波士顿郊区的房屋进行预测。实验流程主要包含如下5个步骤:
import pandas as pd # 开源数据分析和操作工具
本实验使用波士顿房价预测数据集,共506条样本数据,每条样本包含了12种可能影响房价的因素和该类房屋价格的中位数。预览前5条数据,代码实现如下:
# 利用pandas加载波士顿房价的数据集
data = pd.read_csv("boston_house_prices.csv")
# 预览前5行数据
print(data.head())
代码执行结果:
CRIM ZN INDUS CHAS NOX ... RAD TAX PTRATIO LSTAT MEDV
0 0.00632 18.0 2.31 0 0.538 ... 1 296 15.3 4.98 24.0
1 0.02731 0.0 7.07 0 0.469 ... 2 242 17.8 9.14 21.6
2 0.02729 0.0 7.07 0 0.469 ... 2 242 17.8 4.03 34.7
3 0.03237 0.0 2.18 0 0.458 ... 3 222 18.7 2.94 33.4
4 0.06905 0.0 2.18 0 0.458 ... 3 222 18.7 5.33 36.2
对数据集中的缺失值或异常值等情况进行分析和处理,保证数据可以被模型正常读取。
通过isna()方法判断数据中各元素是否缺失,然后通过sum()方法统计每个字段缺失情况。
# 查看各字段缺失值统计情况
print(data.isna().sum())
代码执行结果:
[5 rows x 13 columns]
CRIM 0
ZN 0
INDUS 0
CHAS 0
NOX 0
RM 0
AGE 0
DIS 0
RAD 0
TAX 0
PTRATIO 0
LSTAT 0
MEDV 0
dtype: int64
从输出结果看,波士顿房价预测数据集中不存在缺失值的情况。
通过箱线图直观的显示数据分布,并观测数据中的异常值。
箱线图一般由五个统计值组成:最大值、上四分位、中位数、下四分位和最小值。
一般来说,观测到的数据大于最大估计值或者小于最小估计值则判断为异常值,其中
def boxplot(data, fig_name):
# 绘制每个属性的箱线图
data_col = list(data.columns)
# 连续画几个图片
plt.figure(figsize=(5, 5), dpi=300)
# 子图调整
plt.subplots_adjust(wspace=0.6)
# 每个特征画一个箱线图
for i, col_name in enumerate(data_col):
plt.subplot(3, 5, i + 1)
# 画箱线图
plt.boxplot(data[col_name],
showmeans=True,
meanprops={"markersize": 1, "marker": "D", "markeredgecolor": '#f19ec2'}, # 均值的属性
medianprops={"color": '#e4007f'}, # 中位数线的属性
whiskerprops={"color": '#e4007f', "linewidth": 0.4, 'linestyle': "--"},
flierprops={"markersize": 0.4},
)
# 图名
plt.title(col_name, fontdict={"size": 5}, pad=2)
# y方向刻度
plt.yticks(fontsize=4, rotation=90)
plt.tick_params(pad=0.5)
# x方向刻度
plt.xticks([])
plt.savefig(fig_name)
plt.show()
boxplot(data, 'ml-vis5.pdf')
代码执行结果如下图所示:
箱线图示例如下图所示。
从输出结果看,数据中存在较多的异常值(图中上下边缘以外的空心小圆圈)。
使用四分位值筛选出箱线图中分布的异常值,并将这些数据视为噪声,其将被临界值取代,代码实现如下:
# 四分位处理异常值
num_features = data.select_dtypes(exclude=['object', 'bool']).columns.tolist()
for feature in num_features:
if feature == 'CHAS':
continue
Q1 = data[feature].quantile(q=0.25) # 下四分位
Q3 = data[feature].quantile(q=0.75) # 上四分位
IQR = Q3 - Q1
top = Q3 + 1.5 * IQR # 最大估计值
bot = Q1 - 1.5 * IQR # 最小估计值
values = data[feature].values
values[values > top] = top # 临界值取代噪声
values[values < bot] = bot # 临界值取代噪声
data[feature] = values.astype(data[feature].dtypes)
# 再次查看箱线图,异常值已被临界值替换(数据量较多或本身异常值较少时,箱线图展示会不容易体现出来)
boxplot(data, 'ml-vis6.pdf')
代码执行结果如下图所示:
从输出结果看,经过异常值处理后,箱线图中异常值得到了改善。
import torch
torch.manual_seed(10)
# 划分训练集和测试集
def train_test_split(X, y, train_percent=0.8):
n = len(X)
shuffled_indices = torch.randperm(n) # 返回一个数值在0到n-1、随机排列的1-D Tensor
train_set_size = int(n * train_percent)
train_indices = shuffled_indices[:train_set_size]
test_indices = shuffled_indices[train_set_size:]
X = X.values
y = y.values
X_train = X[train_indices]
y_train = y[train_indices]
X_test = X[test_indices]
y_test = y[test_indices]
return X_train, X_test, y_train, y_test
X = data.drop(['MEDV'], axis=1)
y = data['MEDV']
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X,y)# X_train每一行是个样本,shape[N,D]
为了消除纲量对数据特征之间影响,在模型训练前,需要对特征数据进行归一化处理,将数据缩放到[0, 1]区间内,使得不同特征之间具有可比性。
# 特征工程
X_train = torch.tensor(X_train, dtype=torch.float32)
X_test = torch.tensor(X_test, dtype=torch.float32)
y_train = torch.tensor(y_train, dtype=torch.float32)
y_test = torch.tensor(y_test, dtype=torch.float32)
X_min = torch.min(X_train, dim=0)[0]
X_max = torch.max(X_train, dim=0)[0]
X_train = (X_train - X_min) / (X_max - X_min)
X_test = (X_test - X_min) / (X_max - X_min)
# 训练集构造
train_dataset = (X_train, y_train)
# 测试集构造
test_dataset = (X_test, y_test)
进行X_train-X_min时,为避免报错,我们需要min和max的值(Value),加入索引[0]即可。
实例化一个线性回归模型,特征维度为 12:
from nndl.op import Linear
# 模型实例化
input_size = 12
model=Linear(input_size)
在组装完成Runner之后,我们将开始进行模型训练、评估和测试。首先,我们先实例化Runner,然后开始进行装配训练环境,接下来就可以开始训练了,相关代码如下:
# 模型保存文件夹
saved_dir = './models'
from Runner import Runner
from opitimizer import optimizer_lsm
optimizer = optimizer_lsm
# 实例化Runner
runner = Runner(model, optimizer=optimizer, loss_fn=None, metric=mse_loss)
# 启动训练
runner.train(train_dataset, reg_lambda=0, model_dir=saved_dir)
打印出训练得到的权重:
columns_list = data.columns.to_list()
weights = runner.model.params['w'].tolist()
b = runner.model.params['b'].item()
for i in range(len(weights)):
print(columns_list[i], "weight:", weights[i])
print("b:", b)
代码执行结果:
CRIM weight: -5.2610182762146
ZN weight: 1.3627111911773682
INDUS weight: -0.024850845336914062
CHAS weight: 1.800213098526001
NOX weight: -7.556697368621826
RM weight: 9.557083129882812
AGE weight: -1.3511630296707153
DIS weight: -9.967939376831055
RAD weight: 7.528402328491211
TAX weight: -5.082475662231445
PTRATIO weight: -6.9966325759887695
LSTAT weight: -13.183658599853516
b: 32.62158966064453
从输出结果看,CRIM、PTRATIO等的权重为负数,表示该镇的人均犯罪率与房价负相关,学生与教师比例越大,房价越低。RAD和CHAS等为正,表示到径向公路的可达性指数越高,房价越高;临近Charles River房价高。
加载训练好的模型参数,在测试集上得到模型的MSE指标。
# 加载模型权重
runner.load_model(saved_dir)
mse = runner.evaluate(test_dataset)
print('MSE:', mse.item())
代码执行结果:
MSE: 11.210769653320312
使用Runner中load_model函数加载保存好的模型,使用predict进行模型预测,代码实现如下:
runner.load_model(saved_dir)
pred = runner.predict(X_test[:1])
print("真实房价:", y_test[:1].item())
print("预测的房价:", pred.item())
代码执行结果:
真实房价: 18.899999618530273
预测的房价: 21.529155731201172
从输出结果看,预测房价接近真实房价。
问题1:使用类实现机器学习模型的基本要素有什么优点?
便于扩写和复用。
问题2:算子op、优化器opitimizer放在单独的文件中,主程序在使用时调用该文件。这样做有什么优点?
能够精简代码行数,使程序更简洁。
问题3:线性回归通常使用平方损失函数,能否使用交叉熵损失函数?为什么?
不能。平方损失函数还和错误的分类有关,但是这种调整在线性回归中没有必要。
问题不小,错误不少,只能说之前欠下来的终究还是要还的。paddle和torch终归不能随意通用,还是要注意函数的使用啊。先把paddle-pytorch API对应表 混个眼熟吧。
马上就要考六级力(悲)
那就让暴风雨来的再猛烈一些吧!
下面贴一个normal()的用法:
TypeError: normal() received an invalid combination of arguments - got (float, int, Tensor), but expected one of:
* (Tensor mean, Tensor std, *, torch.Generator generator, Tensor out)
* (Tensor mean, float std, *, torch.Generator generator, Tensor out)
* (float mean, Tensor std, *, torch.Generator generator, Tensor out)
* (float mean, float std, tuple of ints size, *, torch.Generator generator, Tensor out, torch.dtype dtype, torch.layout layout, torch.device device, bool pin_memory, bool requires_grad)