深度学习 线性神经网络(线性回归 从零开始实现)

介绍:

在线性神经网络中,线性回归是一种常见的任务,用于预测一个连续的数值输出。其目标是根据输入特征来拟合一个线性函数,使得预测值与真实值之间的误差最小化。

线性回归的数学表达式为:

y = w1x1 + w2x2 + ... + wnxn + b

其中,y表示预测的输出值,x1, x2, ..., xn表示输入特征,w1, w2, ..., wn表示特征的权重,b表示偏置项。

训练线性回归模型的目标是找到最优的权重和偏置项,使得模型预测的输出与真实值之间的平方差(即损失函数)最小化。这一最优化问题可以通过梯度下降等优化算法来解决。

线性回归在深度学习中也被广泛应用,特别是在浅层神经网络中。在深度学习中,通过将多个线性回归模型组合在一起,可以构建更复杂的神经网络结构,以解决更复杂的问题。

手动生成数据集:

python 复制代码
%matplotlib inline
import torch
from d2l import torch as d2l
import random

#"""生成y=Xw+b+噪声"""
def synthetic_data(w, b, num_examples):  #生成num_examples个样本
    X = d2l.normal(0, 1, (num_examples, len(w)))#随机x,长度为特征个数,权重个数
    y = d2l.matmul(X, w) + b#y的函数
    y += d2l.normal(0, 0.01, y.shape)#加上0~0.001的随机噪音
    return X, d2l.reshape(y, (-1, 1))#返回

true_w = d2l.tensor([2, -3.4])#初始化真实w
true_b = 4.2#初始化真实b

features, labels = synthetic_data(true_w, true_b, 1000)#随机一些数据
print(features)
print(labels)

显示数据集:

python 复制代码
print('features:', features[0],'\nlabel:', labels[0])

'''
features: tensor([ 2.1714, -0.6891]) 
label: tensor([10.8673])
'''

d2l.set_figsize()
d2l.plt.scatter(d2l.numpy(features[:, 1]), d2l.numpy(labels), 1);

读取小批量数据集:

python 复制代码
#每次抽取一批量样本
def data_iter(batch_size, features, labels):#步长、特征、标签
    num_examples = len(features)#特征个数
    indices = list(range(num_examples))
    
    random.shuffle(indices)# 这些样本是随机读取的,没有特定的顺序,打乱顺序
    for i in range(0, num_examples, batch_size):#随机访问,步长为batch_size
        batch_indices = d2l.tensor(
            indices[i: min(i + batch_size, num_examples)])
        yield features[batch_indices], labels[batch_indices]
        

定义模型:

python 复制代码
#定义模型
def linreg(X, w, b):  
    """线性回归模型"""
    return d2l.matmul(X, w) + b

定义损失函数:

python 复制代码
#定义损失和函数
def squared_loss(y_hat, y):  #@save
    """均方损失"""
    return (y_hat - d2l.reshape(y, y_hat.shape)) ** 2 / 2

定义优化算法(小批量随机梯度下降):

python 复制代码
#定义优化算法  """小批量随机梯度下降"""
def sgd(params, lr, batch_size):  #参数、lr学习率、
    with torch.no_grad():
        for param in params:
            param -= lr * param.grad / batch_size
            param.grad.zero_()

模型训练:

python 复制代码
#训练
lr = 0.03#学习率
num_epochs = 3#数据扫三遍
net = linreg#模型
loss = squared_loss#损失函数
#初始化模型参数
w = torch.normal(0, 0.01, size=(2,1), requires_grad=True)#权重
b = torch.zeros(1, requires_grad=True)#b全赋为0


for epoch in range(num_epochs):
    for X, y in data_iter(batch_size, features, labels):#拿出一批量x,y
        l = loss(net(X, w, b), y)  # X和y的小批量损失,实际的和预测的
        
        # 因为l形状是(batch_size,1),而不是一个标量。l中的所有元素被加到一起,
        # 并以此计算关于[w,b]的梯度
        l.sum().backward()
        sgd([w, b], lr, batch_size)  # 使用参数的梯度更新参数
        
    with torch.no_grad():
        train_l = loss(net(features, w, b), labels)
        print(f'epoch {epoch + 1}, loss {float(train_l.mean()):f}')
'''
epoch 1, loss 0.037302
epoch 2, loss 0.000140
epoch 3, loss 0.000048
'''


print(f'w的估计误差: {true_w - d2l.reshape(w, true_w.shape)}')
print(f'b的估计误差: {true_b - b}')
'''
w的估计误差: tensor([0.0006, 0.0001], grad_fn=<SubBackward0>)
b的估计误差: tensor([-0.0003], grad_fn=<RsubBackward1>)
'''

print(w)
'''
tensor([[ 1.9994],
        [-3.4001]], requires_grad=True)
'''

print(b)
'''
tensor([4.2003], requires_grad=True)
'''
相关推荐
workflower1 小时前
数据结构练习题和答案
数据结构·算法·链表·线性回归
图片转成excel表格1 小时前
WPS Office Excel 转 PDF 后图片丢失的解决方法
人工智能·科技·深度学习
哇咔咔哇咔2 小时前
【科普】简述CNN的各种模型
人工智能·神经网络·cnn
李歘歘2 小时前
万字长文解读深度学习——多模态模型CLIP、BLIP、ViLT
人工智能·深度学习
B站计算机毕业设计超人3 小时前
计算机毕业设计Python+大模型农产品价格预测 ARIMA自回归模型 农产品可视化 农产品爬虫 机器学习 深度学习 大数据毕业设计 Django Flask
大数据·爬虫·python·深度学习·机器学习·课程设计·数据可视化
新手小白勇闯新世界3 小时前
深度学习知识点5-马尔可夫链
人工智能·深度学习·计算机视觉
热爱生活的五柒4 小时前
深度学习:利用随机数据更快地测试一个新的模型在自己数据格式很复杂的时候
人工智能·深度学习
科研实践课堂(公众号名称)4 小时前
基于OpenFOAM和深度学习驱动的流体力学计算与应用
人工智能·深度学习
LittroInno5 小时前
TofuAI处理BT1120时序视频要求
深度学习·计算机视觉·tofu