1.1 線性迴歸

線性迴歸是你能用 TF 搭出來的最簡單的模型。

操作步驟

匯入所需的包。

import tensorflow as tf
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import sklearn.datasets as ds
import sklearn.model_selection as ms

匯入資料，並進行預處理。我們使用鳶尾花資料集中的後兩個品種，根據萼片長度預測花瓣長度。

iris = ds.load_iris()

x_ = iris.data[50:, 0]
y_ = iris.
 
data[50:, 2]
x_ = np.expand_dims(x_, 1)
y_ = np.expand_dims(y_, 1)

x_train, x_test, y_train, y_test = \
    ms.train_test_split(x_, y_, train_size=0.7, test_size=0.3)

定義所需超引數。為了方便展示，我們進行一元線性迴歸，但是特徵數還是單獨定義出來，便於各位擴充套件。

n_input = 1
n_epoch = 2000
lr = 0.05

搭建模型。

x = tf.placeholder(tf.float64,
 
 [None, n_input])
y = tf.placeholder(tf.float64, [None, 1])
w = tf.Variable(np.random.rand(n_input, 1))
b = tf.Variable(np.random.rand(1, 1))
z = x @ w + b

定義損失、優化操作、和 R 方度量指標。

我們使用 MSE 損失函式，如下：

$L = \frac{1}{n} \| Z - Y \|^2$

其中Z是模型輸出，Y是真實標籤，n是樣本量。由於我們並不需要手動計算梯度，係數1/2就省了。

注

AdamOptimizer是目前 TF 中最好的優化器。我們一開始就是用這個優化器，可以避免很多坑。

loss = tf.reduce_mean((z - y) ** 2)
op = tf.train.AdamOptimizer(lr).minimize(loss)

y_mean = tf.reduce_mean(y)
r_sqr = 1 - tf.reduce_sum((y - z) ** 2) / tf.reduce_sum((y - y_mean) ** 2)

使用訓練集訓練模型。

losses = []
r_sqrs = []

with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())
    for e in range(n_epoch):
        _, loss_ = sess.run([op, loss], feed_dict={x: x_train, y: y_train})
        losses.append(loss_)

使用測試集計算 R 方。

        r_sqr_ = sess.run(r_sqr, feed_dict={x: x_test, y: y_test})
        r_sqrs.append(r_sqr_)

每一百步列印損失和度量值。

        if e % 100 == 0:
            print(f'epoch: {e}, loss: {loss_}, r_sqr: {r_sqr_}')

得到擬合直線：

    x_min = x_.min() - 1
    x_max = x_.max() + 1
    x_rng = np.arange(x_min, x_max, 0.1)
    x_rng = np.expand_dims(x_rng, 1)
    y_rng = sess.run(z, feed_dict={x: x_rng})

輸出：

epoch: 0, loss: 5.246808867412861, r_sqr: -3.3580545179249626
epoch: 100, loss: 0.25004445837782013, r_sqr: 0.6041164943701897
epoch: 200, loss: 0.23843082653827946, r_sqr: 0.6236514954522687
epoch: 300, loss: 0.2269390629355829, r_sqr: 0.6450002345272472
epoch: 400, loss: 0.21722877318795483, r_sqr: 0.6634834235462157
epoch: 500, loss: 0.20989747215734747, r_sqr: 0.6779371113275436
epoch: 600, loss: 0.20484664052302196, r_sqr: 0.6884008829992205
epoch: 700, loss: 0.20163908809697076, r_sqr: 0.6955228132490906
epoch: 800, loss: 0.19975160600281744, r_sqr: 0.7001369890134553
epoch: 900, loss: 0.19871975070335382, r_sqr: 0.703016047551422
epoch: 1000, loss: 0.198195164170451, r_sqr: 0.7047660277836822
epoch: 1100, loss: 0.19794716641396798, r_sqr: 0.7058129761451779
epoch: 1200, loss: 0.19783823837210518, r_sqr: 0.7064340685560638
epoch: 1300, loss: 0.19779385162364785, r_sqr: 0.7068004742345046
epoch: 1400, loss: 0.19777710515759306, r_sqr: 0.7070149540532822
epoch: 1500, loss: 0.19777126958353536, r_sqr: 0.7071387737013775
epoch: 1600, loss: 0.1977693968167384, r_sqr: 0.7072087165692382
epoch: 1700, loss: 0.1977688451271843, r_sqr: 0.7072470717155128
epoch: 1800, loss: 0.19776869649521, r_sqr: 0.707267350669178
epoch: 1900, loss: 0.19776866002369958, r_sqr: 0.7072776300744172

繪製整個資料集的預測結果。

plt.figure()
plt.plot(x_, y_, 'b.', label='Data')
plt.plot(x_rng.ravel(), y_rng.ravel(), 'r', label='Model')
plt.title('Data and Model')
plt.legend()
plt.show()

繪製訓練集上的損失。

plt.figure()
plt.plot(losses)
plt.title('Loss on Training Set')
plt.xlabel('#epoch')
plt.ylabel('MSE')
plt.show()

繪製測試集上的 R 方。

plt.figure()
plt.plot(r_sqrs)
plt.title('$R^2$ on Testing Set')
plt.xlabel('#epoch')
plt.ylabel('$R^2$')
plt.show()

擴充套件閱讀

• 斯坦福 CS229 筆記：二、單變數線性迴歸
• 斯坦福 CS229 筆記：四、多變數線性迴歸