梯度下降是深度学习的精髓,以至于可以说深度学习又可称为gradient learning。
这里以一个简单的回归问题为例。
首先我们引用python中的matplotlib, math和numpy包构建一个函数图像:
import matplotlib.pyplot as plt
import math
import numpy as np
x = []
y = []
for i in np.linspace(0, 7):
x.append(i)
y.append(i**2 * math.sin(i))
plt.plot(x, y)
plt.show()
则做出的函数(y = x**2 * sin(x))图像为:
在初高中时,若想求得极值,则需要先求出该函数的导数。
即另y'= 0,再求得极值。而梯度下降法则是累计将x减去每次得到的导数值,而最优的x*值即为差值最小的值的点。这里的每次迭代即为梯度下降。同时为计算的波动不太大又不太小,这里再额外引入一个乘率(learning rate),这个learning rate也可以理解为学习速度。
因此这里可以引入一个loss(损失)的概念,将方程转化为loss = (y - x**2 * sin(x))**2,这时再对loss进行求导即可使方程转化为求计算梯度求极值的问题。
但在实际计算过程中,无法确切知道具体的函数参数。因此我们假设存在loss的形式如下:
式中WX+b为预测的y值,后面的y为y的真实值。
对预测y值进行迭代计算,总计算值再做平均计算即可算出总误差值。
定义计算误差值的函数。
# w, b 为当前的参数值, sets为(x, y)的点
def average_error(w, b, sets):
# 另总error值初始值为0
total_error = 0
# 对每个取得的set点进行迭代
for i in range(0, len(sets)):
# 得出所有的(x, y)点
x = sets[i, 0]
y = sets[i, 1]
total_error += (y - (w*x + b)) ** 2
# 将所有计算出的误差值的平方和累加起来
return total_error / float(len(sets))
# 返回累加出的平方和的均值
随后需要对各函数的梯度值进行计算,
代码为:
def gradient_compute(w_current, b_current, sets, learningrate):
# w_current、b_current为当前值,sets为(x, y)点, learningrate为学习率
w_gradient = 0
b_gradient = 0
# 两者初始梯度值为0
n = float(len(sets))
for i in range(0, len(sets)):
x = sets[i, 0]
y = sets[i, 1]
b_gradient += -(2/n) * (y - ((w_current * x) + b_current))
w_gradient += -(2/n) * x * (y - ((w_current * x) + b_current))
# 依据梯度计算公式,列出上两式子
# 直接对所有点的累加值做平均计算即为(2/n)
new_w = w_current - learningrate * w_gradient
new_b = b_current - learningrate * b_gradient
return [new_b, new_w]
# 返回新的w和b
由此可以开始迭代所有的梯度信息,
def run_gradient(sets, b_start, w_start, learningrate, number):
# number=迭代次数
b = b_start
w = w_start
for i in range(number):
w, b = gradient_compute(w, b, np.array(sets), learningrate)
return [w, b]
# 得到循环100次后,w和b的最优解
最后设定好sets值、learningrate值、迭代次数、初始w,b值即可开始进行迭代计算。
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