Linear regression

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#本次采用pytorch实现
#探究房屋状况的俩个因素,房龄和面积
#公式 price = w(area)*area+w(age)*age+b

#损失函数:用于衡量价格预测值与真实值之间的误差,通常我们会选取一个非负数作为误差,且数值越小表示误差越小
#优化函数 ->直接用公式表达出来。这类解叫作解析解
#        ->只能通过优化算法有限次迭代模型参数来尽可能降低损失函数的值。这类解叫作数值解
#优化函数的有以下两个步骤:
#        (i)初始化模型参数,一般来说使用随机初始化;
#        (ii)我们在数据上迭代多次,通过在负梯度方向移动参数来更新每个参数。

#本次采用随机梯度下降

#从零开始的实现
import torch
import time

# 初始化变量 a, b 作为 1000 维向量,进行demo
n = 1000
a = torch.ones(n)
b = torch.ones(n)

# 定义一个计时器类来记录时间
class Timer(object):
    """Record multiple running times."""
    def __init__(self):
        self.times = []
        self.start()

    def start(self):
        # start the timer
        self.start_time = time.time()

    def stop(self):
        # stop the timer and record time into a list
        self.times.append(time.time() - self.start_time)
        return self.times[-1]

    def avg(self):
        # calculate the average and return
        return sum(self.times)/len(self.times)

    def sum(self):
        # return the sum of recorded time
        return sum(self.times)

#使用for循环按元素逐一做标量加法timer = Timer()
timer = Timer()
c = torch.zeros(n)
for i in range(n):
    c[i] = a[i] + b[i]
'%.9f sec' % timer.stop()

#使用torch来将两个向量直接做矢量加法
timer.start()
d = a + b
'%.9f sec' % timer.stop()
#结果很明显,后者比前者运算速度更快。因此,我们应该尽可能采用矢量计算,以提升计算效率

#线性回归模型从零开始的实现
# 导入包和模块
import torch
from IPython import display
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
import random

print(torch.__version__)

#生成数据集,根据之上的公式生成1,000个数据,特征为2
# 设置输入特征编号
num_inputs = 2
# set example number
num_examples = 1000

# 设置真实权重和偏差以生成相应的标签
true_w = [2, -3.4]
true_b = 4.2

features = torch.randn(num_examples, num_inputs,
                      dtype=torch.float32) 
# 返回一个符合均值为0,方差为1的正态分布(标准正态分布)中填充随机数的张量 labels
= true_w[0] * features[:, 0] + true_w[1] * features[:, 1] + true_b labels += torch.tensor(np.random.normal(0, 0.01, size=labels.size()), dtype=torch.float32) #使用图像来展示生成的数据 plt.scatter(features[:, 1].numpy(), labels.numpy(), 1); #读取数据集 def data_iter(batch_size, features, labels): num_examples = len(features) indices = list(range(num_examples)) random.shuffle(indices) # 随机读取10个样本 for i in range(0, num_examples, batch_size): j = torch.LongTensor(indices[i: min(i + batch_size, num_examples)]) # 最后一次可能不够整批 #使用坐标形式存储稀疏矩阵 yield features.index_select(0, j), labels.index_select(0, j) #return batch_size = 10 for X, y in data_iter(batch_size, features, labels): print(X, '\n', y) break #初始化模型参数 w = torch.tensor(np.random.normal(0, 0.01, (num_inputs, 1)), dtype=torch.float32) b = torch.zeros(1, dtype=torch.float32) w.requires_grad_(requires_grad=True) b.requires_grad_(requires_grad=True) #定义模型 def linreg(X, w, b): return torch.mm(X, w) + b #torch.mm是两个矩阵相乘,即两个二维的张量相乘 #定义损失函数 def squared_loss(y_hat, y): return (y_hat - y.view(y_hat.size())) ** 2 / 2 #定义优化函数 def sgd(params, lr, batch_size): for param in params: param.data -= lr * param.grad / batch_size #使用 .data 操作无梯度轨迹的参数 # 超参数初始化 lr = 0.03 num_epochs = 5 net = linreg loss = squared_loss # 训练 for epoch in range(num_epochs): # 训练num_epochs次 # 在每个 epoch 中,dataset 中的所有样本都将被使用一次 # X 是特征,y 是批次样本的标签 for X, y in data_iter(batch_size, features, labels): l = loss(net(X, w, b), y).sum() # calculate the gradient of batch sample loss l.backward() # 使用小批量随机梯度下降迭代模型参数 sgd([w, b], lr, batch_size) # reset parameter gradient w.grad.data.zero_() b.grad.data.zero_() train_l = loss(net(features, w, b), labels) print('epoch %d, loss %f' % (epoch + 1, train_l.mean().item())) w, true_w, b, true_b #线性回归模型使用pytorch的简洁实现 import torch from torch import nn import numpy as np torch.manual_seed(1) print(torch.__version__) torch.set_default_tensor_type('torch.FloatTensor') #读取数据集 import torch.utils.data as Data batch_size = 10 # combine featues and labels of dataset dataset = Data.TensorDataset(features, labels) # put dataset into DataLoader data_iter = Data.DataLoader( dataset=dataset, # torch TensorDataset format batch_size=batch_size, # mini batch size shuffle=True, # whether shuffle the data or not num_workers=2, # read data in multithreading ) for X, y in data_iter: print(X, '\n', y) break #定义模型 class LinearNet(nn.Module): def __init__(self, n_feature): super(LinearNet, self).__init__() # 调用父函数来初始化 self.linear = nn.Linear(n_feature, 1) # 函数原型:`torch.nn.Linear(in_features, out_features,bias=True) def forward(self, x): y = self.linear(x) return y net = LinearNet(num_inputs) #实例化 print(net) #初始化多层网络的方法 # 方法一 net = nn.Sequential( nn.Linear(num_inputs, 1) # other layers can be added here ) # 方法二 net = nn.Sequential() net.add_module('linear', nn.Linear(num_inputs, 1)) # net.add_module ...... # 方法三 from collections import OrderedDict net = nn.Sequential(OrderedDict([ ('linear', nn.Linear(num_inputs, 1)) # ...... ])) print(net) print(net[0]) #初始化模型参数 from torch.nn import init init.normal_(net[0].weight, mean=0.0, std=0.01) init.constant_(net[0].bias, val=0.0) # or you can use `net[0].bias.data.fill_(0)` to modify it directly for param in net.parameters(): print(param) #定义损失函数 loss = nn.MSELoss() # nn 内置平方损失函数 # function prototype: `torch.nn.MSELoss(size_average=None, reduce=None, reduction='mean')` #定义优化函数 import torch.optim as optim optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.03) # built-in random gradient descent function print(optimizer) # function prototype: `torch.optim.SGD(params, lr=, momentum=0, dampening=0, weight_decay=0, nesterov=False)` #训练 num_epochs = 3 for epoch in range(1, num_epochs + 1): for X, y in data_iter: output = net(X) l = loss(output, y.view(-1, 1)) optimizer.zero_grad() # reset gradient, equal to net.zero_grad() l.backward() optimizer.step() print('epoch %d, loss: %f' % (epoch, l.item())) #结果比较 dense = net[0] print(true_w, dense.weight.data) print(true_b, dense.bias.data)
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