从0开始学习机器学习--Day22--优化总结以及误差作业(上)

在之前,我们了解到在算法存在高方差问题时,扩充训练集的数据量有助于降低验证集的误差。那么,是否有其他情况我们可以通过增加数据量来优化算法呢?

假如我们有这样一个学习问题:我需要在{to,too,two}中选出一个填入以下句子:For breakfast, I ate __eggs.在这种问题中,句子的信息越多,算法越有可能得到答案,也就是说训练集数据额定增大是有益的。在房价问题中,假如我们只给了房屋面积的大小以及价格,单纯只靠这个预测到真实的价格的难度是很大的,毕竟还需要考虑所处位置的地价。

其实,这类问题概括起来,只要解决了偏差和方差的问题就可以了,那么我们要做的就是让算法的参数尽可能地多的同时,再增加训练集的数量,这样,在前者的作用下会变得很小,而在庞大的数据量的加持下,,这样我们就可以保证很小,从而达到优化算法的目的。

题目:利用水库的水位变化预测大坝的出水量

代码:

复制代码
import numpy as np
import scipy.io as sio
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.optimize import minimize

def linear(): # 线性回归
    fig, ax = plt.subplots()
    ax.scatter(X_train[:, 1], y_train)
    ax.set(xlabel = 'water level',
           ylabel = 'flowing data')
    return fig, ax

def reg_cost(theta, X, y, l):#正则化代价函数
    cost = np.sum(np.power((X@theta - y.flatten()), 2))
    reg = theta[1:]*l

    return (cost + reg)/(2*len(X))

def reg_gradient(theta, X, y, l): #正则化梯度
    grad = (X@theta-y.flatten())@X
    reg = l*theta
    reg[0] = 0
    return(grad + reg)/len(X)

def train_model(X, y, l):
    theta = np.ones(X.shape[1])
    res = minimize(fun=reg_cost,
                   x0=theta,
                   args=(X, y, l),
                   method='TNC',
                   jac=reg_gradient)
    return res.x

def learning_curve(X_train, y_train, X_val, y_val, l):
    x = range(1, len(X_train)+1) #由于range()左闭右开取不到最后一个数,所以在最后要+1
    training_cost = [] # 训练集代价函数
    cv_cost = [] #验证集代价函数

    for i in x:
        res = train_model(X_train[:i, :], y_train[:i, :], l)
        training_cost_i = reg_cost(res, X_train[:i, :], y_train[:i, :],l)
        cv_cost_i = reg_cost(res, X_val, y_val, l)
        training_cost.append(training_cost_i)
        cv_cost.append(cv_cost_i)

    plt.plot(x, training_cost, label='training cost')
    plt.plot(x, cv_cost, label='cv cost')
    plt.legend()
    plt.xlabel('training numbers')
    plt.ylabel('error')
    plt.show()


l=1
data = sio.loadmat('ex5data1.mat')
print(data.keys())

X_train = data['X']
y_train = data['y']
print(X_train.shape)
print(y_train.shape)


X_val = data['Xval']
y_val = data['yval']
print(X_val.shape)
print(y_val.shape)

X_test = data['Xtest']
y_test = data['ytest']
print(X_test.shape)
print(y_test.shape)



X_train = np.insert(X_train, 0, 1, axis=1)
X_val = np.insert(X_val, 0, 1, axis=1)
X_test = np.insert(X_test, 0, 1, axis=1)
fig, ax = linear()
plt.show()

theta = np.ones(X_train.shape[1])
reg__cost = reg_cost(theta, X_train, y_train, l)
print(reg__cost)

reg__gradient = reg_gradient(theta, X_train, y_train, l)
print(reg__gradient)

theta_final = train_model(X_train, y_train, l=0)
fig, ax = linear()
plt.plot(X_train[:, 1], X_train@theta_final, c='r')
plt.show()# 线性回归

compare = learning_curve(X_train, y_train, X_val, y_val, l=0)
print(compare) #比较训练集和验证集的误差,判断是否出现高偏差或高方差

输出:

复制代码
dict_keys(['__header__', '__version__', '__globals__', 'X', 'y', 'Xtest', 'ytest', 'Xval', 'yval'])
(12, 1)
(12, 1)
(21, 1)
(21, 1)
(21, 1)
(21, 1)
[303.99319222]
[-15.30301567 598.25074417]

原始数据散点图

线性回归模拟图

训练集和验证集的代价函数误差

今日小结:比之前学会了更灵活地用函数写功能来实现,但数据之间的维度转换很重要。今天的作业只有一半,在作正则化时没考虑到维度的问题,还在整改。

作业参考:https://www.bilibili.com/video/BV124411A75S?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=867b8ecbd62561f6cb9b4a83a368f691&p=8

相关推荐
世人万千丶1 小时前
鸿蒙日志体系高级应用:HiLog分级输出/隐私脱敏/远程日志采集/线上问题精准溯源方案
学习·harmonyos·鸿蒙
奔跑中的小象2 小时前
统信UOS + 天数AI卡部署SGLang服务手册
人工智能·uos·sglang·天数智芯
DevSecOps选型指南2 小时前
中国版Mythos,为何是悬镜安全灵脉CodeAI?
人工智能·安全
Shockang2 小时前
LangGraph 状态机实战
人工智能
刹那芳华19922 小时前
循环神经网络的从零开始实现(RNN)
人工智能·rnn·深度学习
阿童木写作3 小时前
跨境图片翻译工具多合一,批量图片视频字幕翻译加智能抠图
人工智能·python·音视频·语音识别
科技之门3 小时前
AI3D从建模到贴图、绑骨和动画的完整流程怎么做?V2Fun完整工作流指南
人工智能·3d·贴图
宇宙第一小趴菜3 小时前
二、机器学习的应用领域和发展史
人工智能·机器学习
前端开发江鸟3 小时前
我写过 MCP Server,却一直以为 MCP 只有 Tool
人工智能
天国梦3 小时前
自习室智能化升级避坑指南:天学网AI智习室方案实测与选型建议
大数据·人工智能