L1 与L2损失
这个脚本展示如何用TensorFlow求解线性回归。
在算法的收敛性中，理解损失函数的影响是很重要的。这里我们展示L1和L2损失函数是如何影响线性回归的收敛性的。我们使用iris数据集,但是我们将改变损失函数和学习速率来看收敛性的改变。
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from tensorflow.python.framework import ops
ops.reset_default_graph()
L1-Loss
这里我们展示使用L1-损失的线性回归。后面展示L2-损失的线性回归。
线性最少二乘的L1损失函数为
其中 N 是数据点数, yi 第i个实际的y值, ^yi^ 是第i个y值的预测值。
我们加载iris数据。
iris.data = (Sepal Length, Sepal Width, Petal Length, Petal Width)
iris = datasets.load_iris()
x_vals = np.array(x\[3 for x in iris.data])
y_vals = np.array(y\[0 for y in iris.data])
我们定义模型，损失函数，变量的梯度。
def model(x,w,b):
Declare model operations
model_output = tf.add(tf.matmul(x, w), b)
return model_output
def loss1(x, y,w,b):
Declare loss functions
loss_l1 = tf.reduce_mean(tf.abs(y - model(x,w,b)))
Declare loss functions
#loss_l2 = tf.reduce_mean(tf.square(y_target - model_output))
return loss_l1
def grad1(x,y,w,b):
with tf.GradientTape() as tape:
loss_1 = loss1(x,y,w,b)
return tape.gradient(loss_1,w,b)
设置模型参数。要注意的一个重要参数是学习速率。如果学习速率太大，模型不收敛。如果学习速率太小，模型收敛太慢。这里有两个学习速率来展示收敛与不收敛。收敛的学习速小于0.35。要说明收敛，设置学习速率大于等于0.4。
batch_size = 25
learning_rate = 0.4 # Will not converge with learning rate at 0.4
iterations = 50
我们要初始化变量。
Create variables for linear regression
w1 = tf.Variable(tf.random.normal(shape=1,1),tf.float32)
b1 = tf.Variable(tf.random.normal(shape=1,1),tf.float32)
我们要告诉模型使用的优化器。
optimizer = tf.optimizers.Adam(learning_rate)
我们进行模型训练。
Training loop
loss_vec_l1=\[\]
loss_vec_l2=\[\]
for i in range(5000):
rand_index = np.random.choice(len(x_vals), size=batch_size)
rand_x = np.transpose(x_vals\[rand_index])
rand_y = np.transpose(y_vals\[rand_index])
x=tf.cast(rand_x,tf.float32)
y=tf.cast(rand_y,tf.float32)
grads1=grad1(x,y,w1,b1)
optimizer.apply_gradients(zip(grads1,w1,b1))
#sess.run(train_step, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y})
temp_loss1 = loss1(x, y,w1,b1).numpy()
#sess.run(loss, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y})
loss_vec_l1.append(temp_loss1)
if (i+1)%25==0:
print('Step #' + str(i+1) + ' A = ' + str(w1.numpy()) + ' b = ' + str(b1.numpy()))
print('Loss = ' + str(temp_loss1))
我们得到回归系数和拟合线。
Get the optimal coefficients
slope = w1.numpy()
y_intercept = b1.numpy()
Get best fit line
best_fit1 = \[\]
for i in x_vals:
best_fit1.append(slope*i+y_intercept)
我们绘制拟合线。
Plot the result
plt.plot(x_vals, y_vals, 'o', label='Data Points')
plt.plot(x_vals, best_fit1, 'r-', label='Best fit line', linewidth=3)
plt.legend(loc='upper left')
plt.title('Sepal Length vs Petal Width')
plt.xlabel('Petal Width')
plt.ylabel('Sepal Length')
plt.show()
Plot loss over time
plt.plot(loss_vec_l1, 'k-')
plt.title('L1 Loss per Generation')
plt.xlabel('Generation')
plt.ylabel('L1 Loss')
plt.show()
