[笔记]机器学习之机器学习模型及案例分析《一》回归(一)

简介: [笔记]机器学习之机器学习模型及案例分析《一》回归

活动地址:CSDN21天学习挑战赛

前言

环境:

python3.7

IDEA

机器学习基本思路:

  • 推导公式进行建模
  • 优化模型
  • 评估系数
  • 根据模型进行预测

回归

1. 案例

一元线性回归的例子引出线性回归模型:

1920年汽车速度与刹车距的数据,现在,我们想研究速度与刹车距离之间到底有什么样的关系。

绘制散点图

# 1.收集数据
data_cars = pd.read_csv("../data/cars.csv",usecols = ["speed","dist"])
print(data_cars.head())
# 2.可视化
speed = data_cars["speed"]
dist = data_cars["dist"]
plt.scatter(speed,dist) # 散射
plt.title("Scatter plot of vehicle speed and braking distance")
plt.show()

呈现线性关系:

为了使预测更为精准

从图像直观描述,就是使寻找一条直线,使得所有样本点到直线的距离之和最短,如图7.1.2所示:

以下在机器学习中称为损失函数:

损失函数

损失函数:简而言之,就是实际偏离模型的数据点与预期在模型上的数据点的差值,规律总结而成的函数。

我们可以通过直接法和迭代法两种方式对该损失函数进行优化,进而得到使损失函数最小的回归系数。下面,我们分别用这两种方法进行求解。

直接法

直接法,就是直接给出优化问题的最优解,并不是所有的优化问题都可以用直接法得到最优解,如果要

使用直接法,损失函数需要满足两个条件:

1. 损失函数为凸函数; (曲线是凹状或者凸状)

2. 损失函数为解析解,即通过严格的公式所求得的解。

凸函数定义:

图7.1.3 凸函数曲线图

python代码:

## 2.2 损失函数
import sympy
#设定回归系数
alpha, beta = sympy.symbols("alpha beta")
#设定损失函数
L = 0.5* np.sum((dist - beta*speed - alpha)**2)
#求偏导
print(sympy.diff(L, alpha))
#50.0*alpha + 770.0*beta - 2149.0
print(sympy.diff(L, beta))
#770.0*alpha + 13228.0*beta - 38482.0
f1 = sympy.diff(L, alpha)
f2 = sympy.diff(L, beta)
### 求解线性方程组
outcome = sympy.solve([f1, f2], [alpha, beta])
print(outcome)
#{alpha: -17.5790948905109, beta: 3.93240875912409} 最优解

{alpha: -17.5790948905109, beta: 3.93240875912409} 最优解

我们将直线 y = 3.932x+ -17.570 绘制在车速与刹车距离散点图中,如图7.1.5所示。

### 绘图
alpha_num = outcome[alpha]
beta_num = outcome[beta]
dist_pre = beta_num*speed + alpha_num
plt.scatter(speed, dist)
plt.plot(speed, dist_pre, c = "r")
plt.title("Fitting results")
plt.show()

迭代法

很多情况都是非凸形的 没法使用直接法进行优化 所以我们可以使用迭代法求解。迭代法是一种不断用变量的旧值递推新值的过程,即迭代的用旧值修正对最优解的估计。

这里,我们使用迭代法中的小批量梯度下降法解决问题:

对于我们的问题,小批量梯度下降法的过程如下:

  1. 确定要求解的模型参数为 α,β ;
  2. 定义小批量梯度下降法的损失函数:

  3. 求解梯度,并定义递推关系:

    在[0, 10)中按照均匀分布随机产生alpha和beta的初始值,定义学习率 和 均为0.02,定义迭代次数
    为20000次;
  4. 迭代,迭代完成输出最后的模型参数。
#迭代法
import random
#定义递推关系,更新迭代变量
def update_var(old_alpha, old_beta, y, x, learning_rate):
    len_x = len(x)
    alpha_delta = np.sum(-(y - old_beta*x - old_alpha))/len_x
    beta_delta = np.sum(-x*(y - old_beta*x - old_alpha))/len_x
    new_alpha = old_alpha - learning_rate*alpha_delta
    new_beta = old_beta - learning_rate*beta_delta
    return (new_alpha, new_beta)
#迭代
def iterative_func(y, x, start_alpha, start_beta,
                   learning_rate, iterative_num, 
                   sample_num):
    alpha_list = []
    beta_list = []
    alpha = start_alpha
    beta = start_beta
    num_list = list(range(1, len(y)+1))
    for i in range(iterative_num):
        alpha_list.append(alpha)
        beta_list.append(beta)
        random.shuffle(num_list)
        index = num_list[:sample_num]
        alpha, beta = update_var(alpha, beta, 
                                 y[index], x[index], learning_rate)
#        print("alpha: {}, beta:{}".format(alpha, beta))
    return (alpha_list, beta_list)
#在[0, 10)之间按照均匀分布随机产生alpha和beta的初始值
start_alpha = np.random.random()*10
start_beta = np.random.random()*10
#设置学习率为0.01,迭代次数为500次,每次计算8个数据
learning_rate = 0.002
iterative_num = 20000
sample_num = 16
alpha_list, beta_list = iterative_func(dist, speed, start_alpha, start_beta,
                                     learning_rate, iterative_num,
                                     sample_num)

最后会发现直接法和迭代法 答案相近

最后绘制α和β变化:

...代码接上...
#写出
import csv
parameter_data = zip(alpha_list, beta_list)
with open("./outcome/gradient_descent_parameter.csv", 'w', newline = '') as f:
    csv_writer = csv.writer(f)
    csv_writer.writerow(["alpha","beta"])
    csv_writer.writerows(parameter_data)
#绘图
plt.subplot(121)
plt.plot(alpha_list)
plt.title("alpha change process")
plt.subplot(122)
plt.plot(beta_list)
plt.title("beta change process")
plt.show()

学习率:影响变化稳定的因素,我们可以设置其学习率随着迭代次数增加逐渐递减,来缓解这种现象

样本数:

迭代次数:

评估数据好坏

直接法求得的回归系数估计值进行评价,即计算其 R^2:

#判定系数R2
dist_pre = beta_num*speed + alpha_num
dist_mean = np.mean(dist)
R_2 = np.sum((dist_pre - dist_mean)**2)/np.sum((dist - dist_mean)**2)
print(R_2)
#0.651079380758251
#预测
new_speed = pd.Series([10, 20, 30])
new_dist_pre = beta_num*new_speed + alpha_num
print(new_dist_pre)

结果R^2得到0.65107938

预测

利用我们的模型对结果进行预测。

我们依然采用直接法求得的回归系数估计值,对新的样本进行预测。

假设新记录的一批车辆的车速分别为10, 20, 30,利用python,我们可以得到刹车距离的预测值为21.745,61.069,100.393。


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