机器学习 梯度下降

也称深度学习模型

1. 导入库

复制代码
import math, copy
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
plt.style.use('./deeplearning.mplstyle')

# 安装 ipywidgets 后再导入
from lab_utils_uni import plt_house_x, plt_contour_wgrad, plt_divergence, plt_gradients

2. 准备数据集

复制代码
# 面积:1000平方英尺为单位,价格:千美元为单位
x_train = np.array([1.0, 2.0])
y_train = np.array([300.0, 500.0])

3. 实现成本函数 compute_cost

复制代码
def compute_cost(x, y, w, b):
    m = x.shape[0]
    cost = 0.0
    for i in range(m):
        f_wb = w * x[i] + b
        cost += (f_wb - y[i])**2
    total_cost = 1 / (2 * m) * cost
    return total_cost

4. 实现梯度计算 compute_gradient

复制代码
def compute_gradient(x, y, w, b):
    m = x.shape[0]
    dj_dw = 0.0
    dj_db = 0.0
    for i in range(m):
        f_wb = w * x[i] + b
        dj_dw_i = (f_wb - y[i]) * x[i]
        dj_db_i = f_wb - y[i]
        dj_dw += dj_dw_i
        dj_db += dj_db_i
    dj_dw /= m
    dj_db /= m
    return dj_dw, dj_db

5. 实现梯度下降主函数 gradient_descent

复制代码
def gradient_descent(x, y, w_in, b_in, alpha, num_iters, cost_function, gradient_function):
    w = copy.deepcopy(w_in)
    J_history = []
    p_history = []
    b = b_in
    w = w_in

    for i in range(num_iters):
        # 计算梯度
        dj_dw, dj_db = gradient_function(x, y, w, b)
        # 更新参数(同时更新)
        b -= alpha * dj_db
        w -= alpha * dj_dw

        # 保存成本和参数(限制数量避免内存溢出)
        if i < 100000:
            J_history.append(cost_function(x, y, w, b))
            p_history.append([w, b])

        # 每迭代10%打印一次进度
        if i % math.ceil(num_iters/10) == 0:
            print(f"Iteration {i:4}: Cost {J_history[-1]:0.2e} ",
                  f"dj_dw: {dj_dw: 0.3e}, dj_db: {dj_db: 0.3e}  ",
                  f"w: {w: 0.3e}, b:{b: 0.5e}")
    return w, b, J_history, p_history

6. 运行梯度下降

复制代码
# 初始化参数
w_init = 0
b_init = 0
iterations = 10000
tmp_alpha = 1.0e-2  # 学习率

# 执行梯度下降
w_final, b_final, J_hist, p_hist = gradient_descent(
    x_train, y_train, w_init, b_init, tmp_alpha, iterations, compute_cost, compute_gradient
)
print(f"(w,b) found by gradient descent: ({w_final:8.4f},{b_final:8.4f})")

你会得到最优解 w=200, b=100(因为 1200+100=300,2200+100=500,完美拟合数据)

7. 预测房价

复制代码
print(f"1000 sqft house prediction {w_final*1.0 + b_final:0.1f} Thousand dollars")
print(f"1200 sqft house prediction {w_final*1.2 + b_final:0.1f} Thousand dollars")
print(f"2000 sqft house prediction {w_final*2.0 + b_final:0.1f} Thousand dollars")

8. 可视化成本与迭代过程

复制代码
# 成本随迭代变化(前后两段)
fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, constrained_layout=True, figsize=(12,4))
ax1.plot(J_hist[:100])
ax2.plot(1000 + np.arange(len(J_hist[1000:])), J_hist[1000:])
ax1.set_title("Cost vs. iteration(start)"); ax2.set_title("Cost vs. iteration (end)")
ax1.set_ylabel('Cost')     ; ax2.set_ylabel('Cost')
ax1.set_xlabel('iteration step')  ; ax2.set_xlabel('iteration step')
plt.show()

# 等高线图看梯度下降路径
fig, ax = plt.subplots(1,1, figsize=(12, 6))
plt_contour_wgrad(x_train, y_train, p_hist, ax)
plt.show()

效果:

  • 梯度下降的核心逻辑

    • 成本函数:
    • 梯度:
  • 参数更新:
  • 学习率 α 的影响

    • 太小:收敛极慢,需要很多次迭代
    • 太大:成本不下降反而上升,参数来回震荡发散
相关推荐
元启数宇5 分钟前
幕墙AI设计算法逻辑:元启数宇如何智能分格
人工智能·算法
故七月17 分钟前
以合规化技术体系筑牢GEO产业发展根基 万域智瞰引领AI流量服务高质量发展
大数据·人工智能
开发小程序的之朴23 分钟前
从神经网络到文件加密:一次关于 SIREN、ARX 与密码安全性的实验探索
人工智能·深度学习·神经网络
哈基咩28 分钟前
Function Calling 与 Code Mode:AI Agent 工具调用的原理、对比与选型指南
网络·人工智能
就是一顿骚操作35 分钟前
ViT:把图像切成词之后,Transformer 如何进入计算机视觉
人工智能·深度学习·计算机视觉·transformer·论文解读
千里码aicood41 分钟前
PyQt基于卷积神经网络的智慧校园的设计与实现
人工智能·cnn·pyqt
MartinYeung51 小时前
[论文学习]MPIB:医疗提示注入基准——针对LLM临床安全性的系统性评估
人工智能·python·学习
MartinYeung51 小时前
[论文学习]医学AI安全风险分类:S1-S4分级框架深度分析
人工智能·学习·安全
stuartevil1 小时前
AI 小说漫改视频零基础入门:口型同步和字幕匹配怎么调?
人工智能·音视频·语音识别
lucas_AI1 小时前
把表格压成 64 个 token,长文档问答反而更准了:先找表,再看数
人工智能·深度学习·算法