线性回归的梯度下降法不起作用

我正在尝试实现一个简单的线性回归的梯度下降算法。我使用的是Armadillo C++线性代数库,并且我对Armadillo还不太熟悉。我正在尝试做的是:

void linRegression(mat &features, mat &targets, double alpha,double error){    mat theta = ones(features.n_cols+1);    mat temp = zeros(features.n_cols+1);    mat features_new = join_horiz(ones(features.n_rows),features);    mat predictions;    double con = alpha*(1.0/features.n_rows);    int j = 0;    while(j<1000){        mat step_error = (features_new*theta - targets);        for(unsigned int i=0;i<theta.n_rows;i++){            temp(i) = con*sum(step_error%features_new.col(i));        }        theta = theta-temp;        mat pred = predict(theta,features_new);        cout<<theta<<endl;        j++;    }}

但是theta的值不断增加,最终趋向于无穷大。我不确定我做错了什么。


回答:

我认为while循环中的计算不正确。至少你可以不用for循环,让它更优雅。这里是一个单特征问题的简短代码:

#include <iostream>#include <armadillo>using namespace std;using namespace arma;int main(int argc, char** argv){    mat features(10, 1);    features << 6.110100 << endr         << 5.527700 << endr         << 8.518600 << endr         << 7.003200 << endr         << 5.859800 << endr         << 8.382900 << endr         << 7.476400 << endr         << 8.578100 << endr         << 6.486200 << endr         << 5.054600 << endr;    mat targets(10, 1);    targets << 17.59200 << endr        << 9.130200 << endr        << 13.66200 << endr        << 11.85400 << endr        << 6.823300 << endr        << 11.88600 << endr        << 4.348300 << endr        << 12.00000 << endr        << 6.598700 << endr        << 3.816600 << endr;    mat theta = ones(features.n_cols + 1);    mat features_new = join_horiz(ones(features.n_rows), features);    double alpha = 0.01;    double con = alpha*(1.0 / features.n_rows);    int j = 0;    while (j < 20000){        mat step_error = (features_new*theta - targets);        theta = theta - con * (features_new.t() * step_error);        j++;    }    theta.print("theta:");    system("pause");    return 0;}

程序返回的结果是:

theta:   0.5083   1.3425

通过正常方程法获得的结果是:

theta:   0.5071   1.3427

编辑

你的代码确实是正确的!问题可能出在特征归一化上。我扩展了我的例子到两个特征的回归,并添加了归一化。没有归一化的话,对我来说也不起作用。

#include <iostream>#include <armadillo>using namespace std;using namespace arma;int main(int argc, char** argv){    mat features(10, 2);    features << 2104 << 3 << endr         << 1600 << 3 << endr         << 2400 << 3 << endr         << 1416 << 2 << endr         << 3000 << 4 << endr         << 1985 << 4 << endr         << 1534 << 3 << endr         << 1427 << 3 << endr         << 1380 << 3 << endr         << 1494 << 3 << endr;    mat m = mean(features, 0);    mat s = stddev(features, 0, 0);    int i,  j;    //归一化    for (i = 0; i < features.n_rows; i++)    {        for (j = 0; j < features.n_cols; j++)        {            features(i, j) = (features(i, j) - m(j))/s(j);        }    }    mat targets(10, 1);    targets << 399900 << endr        << 329900 << endr        << 369000 << endr        << 232000 << endr        << 539900 << endr        << 299900 << endr        << 314900 << endr        << 198999 << endr        << 212000 << endr        << 242500 << endr;    mat theta = ones(features.n_cols + 1);    mat features_new = join_horiz(ones(features.n_rows), features);    double alpha = 0.01;    double con = alpha*(1.0 / features.n_rows);    while (j < 20000){        mat step_error = (features_new*theta - targets);        theta = theta - con * (features_new.t() * step_error);        j++;    }    cout << theta << endl;    system("pause");    return 0;}

结果是:

theta:

  3.1390e+005  9.9704e+004 -5.6835e+003

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线性回归的梯度下降法不起作用

我尝试使用梯度下降法为一些样本数据编写一个线性回归程序。我得到的theta值并不能为数据提供最佳拟合。我已经对数据进行了归一化处理。

public class OneVariableRegression {    public static void main(String[] args) {        double x1[] = {-1.605793084, -1.436762233, -1.267731382, -1.098700531, -0.92966968, -0.760638829, -0.591607978, -0.422577127, -0.253546276, -0.084515425, 0.084515425, 0.253546276, 0.422577127, 0.591607978, 0.760638829, 0.92966968, 1.098700531, 1.267731382, 1.436762233, 1.605793084};          double y[] = {0.3, 0.2, 0.24, 0.33, 0.35, 0.28, 0.61, 0.38, 0.38, 0.42, 0.51, 0.6, 0.55, 0.56, 0.53, 0.61, 0.65, 0.68, 0.74, 0.87};        double theta0 = 0.5;        double theta1 = 0.5;        double temp0;        double temp1;        double alpha = 1.5;        double m = x1.length;        System.out.println(m);        double derivative0 = 0;        double derivative1 = 0;        do {                    for (int i = 0; i < x1.length; i++) {            derivative0 = (derivative0 + (theta0 + (theta1 * x1[i]) - y[i])) * (1/m);            derivative1 = (derivative1 + (theta0 + (theta1 * x1[i]) - y[i])) * (1/m) * x1[i];        }          temp0 = theta0 - (alpha * derivative0);          temp1 = theta1 - (alpha * derivative1);          theta0 = temp0;          theta1 = temp1;          //System.out.println("Derivative0 = " + derivative0);          //System.out.println("Derivative1 = " + derivative1);        }        while (derivative0 > 0.0001 || derivative1 > 0.0001);        System.out.println();        System.out.println("theta 0 = " + theta0);        System.out.println("theta 1 = " + theta1);    }}

回答:

是的,它是凸的。

你使用的导数来自于平方误差函数,该函数是凸的,因此除了一个全局最小值外,不存在局部最小值。(事实上,这类问题甚至可以接受一个称为正规方程的闭合形式解,只是对于大型问题在数值上不可行,因此使用了梯度下降法)

正确答案大约是theta0 = 0.4895theta1 = 0.1652,这在任何统计计算环境中都很容易验证。(如果你有疑问,请查看答案底部)

下面我指出了你代码中的错误,修复这些错误后,你将在四位小数内得到上述正确答案。

你的实现存在的问题:

所以你期望它收敛到全局最小值是正确的,但你的实现存在问题

每次重新计算derivative_i时,你忘记将其重置为0(你所做的是在do{}while()循环中累积导数)

你需要在do while循环中添加以下内容

do {                                                                       derivative0 = 0;                                                         derivative1 = 0;   ...}  

接下来是这个

derivative0 = (derivative0 + (theta0 + (theta1 * x1[i]) - y[i])) * (1/m);derivative1 = (derivative1 + (theta0 + (theta1 * x1[i]) - y[i])) * (1/m) * x1[i];

x1[i]因子应该只应用于(theta0 + (theta1 * x1[i]) - y[i]))部分。

你的尝试有些 confusing,所以让我们以更清晰的方式重写它,如下所示,这更接近其数学方程(1/m)sum(y_hat_i - y_i)x_i

// 你需要新的变量,不要在梯度下降迭代中累积导数derivative0 = 0;                                                      derivative1 = 0;for (int i = 0; i < m; i++) {                           derivative0 += (1/m) * (theta0 + (theta1 * x1[i]) - y[i]);              derivative1 += (1/m) * (theta0 + (theta1 * x1[i]) - y[i])*x1[i];    }  

这样应该能让你足够接近了,不过,我发现你的学习率alpha有点大。当它太大时,你的梯度下降法将难以精确找到你的全局最优值,它会在那里徘徊,但不会完全到达那里。

double alpha = 0.5;                                                 

确认结果

运行它并与统计软件的答案进行比较

这是你的.java文件在github上的gist

➜  ~ javac OneVariableRegression.java && java OneVariableRegression                                                                                                                           20.0theta 0 = 0.48950064086914064theta 1 = 0.16520139788757973

我用R进行了比较

> x [1] -1.60579308 -1.43676223 -1.26773138 -1.09870053 -0.92966968 -0.76063883 [7] -0.59160798 -0.42257713 -0.25354628 -0.08451543  0.08451543  0.25354628[13]  0.42257713  0.59160798  0.76063883  0.92966968  1.09870053  1.26773138[19]  1.43676223  1.60579308> y [1] 0.30 0.20 0.24 0.33 0.35 0.28 0.61 0.38 0.38 0.42 0.51 0.60 0.55 0.56 0.53[16] 0.61 0.65 0.68 0.74 0.87> lm(y ~ x)Call:lm(formula = y ~ x)Coefficients:(Intercept)            x       0.4895       0.1652  

现在你的代码至少在四位小数内给出了正确答案。

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