深度学习3(向量化编程+ python中实现逻辑回归）

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python中向量化编程

[常用操作(设：a=1,2 , b=3,4)](#常用操作(设：a=[1,2] , b=[3,4]))

python中实现逻辑回归

伪代码

代码实现

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python中向量化编程

向量化编程（Vectorized Programming）是一种利用数组或矩阵运算替代显式循环 的高效编程范式，尤其在科学计算和机器学习中至关重要。而向量化编程在python中依靠numpy包实现。

一般引入格式为：import numpy as np

常用操作(设：a=1,2 , b=3,4)

函数	说明	示例
np.add()	逐元素加法	a + b → [1+3, 2+4]
np.subtract()	逐元素减法	a - b → [1-3, 2-4]
np.multiply()	逐元素乘法	a * b → [1*3, 2*4]
np.divide()	逐元素除法	a / b → [1/3, 2/4]
np.power()	幂运算	a**2 → [1, 4]
np.exp()	指数运算	e^a
np.log	对数计算	log(默认ln)

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python中实现逻辑回归

伪代码

代码实现

import numpy as np

# 初始化
num_iterations = 1000
learning_rate = 0.5
X = np.array([
    [1.2, 0.5],  # 样本1
    [-0.3, 1.8],  # 样本2
    [0.7, -1.1]  # 样本3
])
Y = np.array([[1, 0, 1]])  # 改为行向量以便计算
W = np.zeros((2, 1))  # 权重矩阵
b = 0.0  # 偏置项
costs = []  # 存储损失值历史


def sigmoid(x):
    """Sigmoid激活函数"""
    return 1 / (1 + np.exp(-x))


def propagate(W, b, X, Y):
    """
    前向传播和反向传播
    参数:
        W: 权重 (2,1)
        b: 偏置 (标量)
        X: 输入数据 (3,2)
        Y: 真实标签 (1,3)
    返回:
        grads: 包含梯度的字典
        cost: 当前损失值
    """
    m = X.shape[0]  # 样本数量

    # 前向传播
    Z = np.dot(X, W) + b  # (3,1)
    A = sigmoid(Z)  # (3,1)

    # 计算损失(添加极小值防止log(0))
    epsilon = 1e-5
    cost = -(1 / m) * np.sum(Y * np.log(A.T + epsilon) + (1 - Y) * np.log(1 - A.T + epsilon))

    # 反向传播
    dZ = A - Y.T  # (3,1)
    dW = (1 / m) * np.dot(X.T, dZ)  # (2,1)
    db = (1 / m) * np.sum(dZ)

    grads = {"dW": dW, "db": db}
    return grads, cost


def optimize(W, b, X, Y, num_iterations, learning_rate):
    """
    梯度下降优化
    参数:
        W, b: 初始参数
        X, Y: 训练数据和标签
        num_iterations: 迭代次数
        learning_rate: 学习率
    返回:
        params: 优化后的参数
        grads: 最终梯度
        costs: 损失历史
    """
    costs = []

    for i in range(num_iterations):
        # 计算梯度和损失
        grads, cost = propagate(W, b, X, Y)

        # 获取梯度
        dW = grads["dW"]
        db = grads["db"]

        # 更新参数
        W = W - learning_rate * dW
        b = b - learning_rate * db

        # 记录损失
        if i % 100 == 0:
            costs.append(cost)
            print(f"迭代次数 {i}: 损失值 = {cost:.6f}")

    params = {"W": W, "b": b}
    grads = {"dW": dW, "db": db}
    return params, grads, costs


def predict(W, b, X):
    """
    使用训练好的参数预测
    参数:
        W, b: 训练好的参数
        X: 输入数据
    返回:
        Y_prediction: 预测结果 (0或1)
    """
    m = X.shape[0]
    Y_prediction = np.zeros((1, m))

    A = sigmoid(np.dot(X, W) + b)

    for i in range(A.shape[0]):
        Y_prediction[0, i] = 1 if A[i] > 0.5 else 0

    return Y_prediction


if __name__ == '__main__':
    # 训练模型
    params, grads, costs = optimize(W, b, X, Y, num_iterations, learning_rate)

    # 获取训练好的参数
    W = params["W"]
    b = params["b"]

    # 预测
    Y_prediction = predict(W, b, X)
    print(f"预测结果: {Y_prediction}")
    print(f"真实标签: {Y}")

在代码实现时，很容易遇到因为数组维度的问题，导致向量化运算出错。下面简单解释一下部分数组。

样本X ={ x01 , x02 , x03 ...... x0m，

x11 , x12 , x13 ...... x1m ，

x21 , x22 , x23 ...... x2m }

注意不一定是2维数组，每一行代表着一个样本，而每一列代表着一种类型。 这个例子中可以看到，该样本数组中一共有3个样本，每个样本有m个特征**。**
权重W=w1 , w2 , w3 ...... wn

权重数组中元素数量等于于样本的特征数量，每一个特征的权重可能有所差异，需要不断迭代使其合理。