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小姐姐帶你一起學:如何用Python實現7種機器學習演算法(附程式碼)

編譯 | 林椿眄

出品 | AI科技大本營(公眾號ID:rgznai100

【AI科技大本營導讀】Python 被稱為是最接近 AI 的語言。最近一位名叫Anna-Lena Popkes的小姐姐在GitHub上分享了自己如何使用Python(3.6及以上版本)實現7種機器學習演算法的筆記,並附有完整程式碼。所有這些演算法的實現都沒有使用其他機器學習庫。這份筆記可以幫大家對演算法以及其底層結構有個基本的瞭解,但並不是提供最有效的實現。

小姐姐史是德國波恩大學電腦科學專業的研究生,主要關注機器學習和神經網路。

七種演算法包括:

  • 線性迴歸演算法

  • Logistic 迴歸演算法

  • 感知器

  • K 最近鄰演算法

  • K 均值聚類演算法

  • 含單隱層的神經網路

  • 多項式的 Logistic 迴歸演算法

1. 線性迴歸演算法

線上性迴歸中,我們想要建立一個模型,來擬合一個因變數 y 與一個或多個獨立自變數(預測變數) x 之間的關係。

給定:

  • 資料集

  • 是d-維向量

  • 是一個目標變數,它是一個標量

線性迴歸模型可以理解為一個非常簡單的神經網路:

  • 它有一個實值加權向量

  • 它有一個實值偏置量 b

  • 它使用恆等函式作為其啟用函式

線性迴歸模型可以使用以下方法進行訓練

a) 梯度下降法

b) 正態方程(封閉形式解):

其中 X 是一個矩陣,其形式為,包含所有訓練樣本的維度資訊。

而正態方程需要計算的轉置。這個操作的計算複雜度介於)和之間,而這取決於所選擇的實現方法。因此,如果訓練集中資料的特徵數量很大,那麼使用正態方程訓練的過程將變得非常緩慢。

線性迴歸模型的訓練過程有不同的步驟。首先(在步驟 0 中),模型的引數將被初始化。在達到指定訓練次數或引數收斂前,重複以下其他步驟。

第 0 步:

用0 (或小的隨機值)來初始化權重向量和偏置量,或者直接使用正態方程計算模型引數

第 1 步(只有在使用梯度下降法訓練時需要):

計算輸入的特徵與權重值的線性組合,這可以通過向量化和向量傳播來對所有訓練樣本進行處理:

其中 X 是所有訓練樣本的維度矩陣,其形式為;· 表示點積。

第 2 步(只有在使用梯度下降法訓練時需要):

用均方誤差計算訓練集上的損失:

第 3 步(只有在使用梯度下降法訓練時需要):

對每個引數,計算其對損失函式的偏導數:

所有偏導數的梯度計算如下:

第 4 步(只有在使用梯度下降法訓練時需要):

更新權重向量和偏置量:

其中,表示學習率。

In [4]:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
np.random.seed(123)

資料集

In [5]:

# We will use a simple training set
X = 2 * np.random.rand(500, 1)
y = 5 + 3 * X + np.random.randn(500, 1)
fig = plt.figure(figsize=(8,6))
plt.scatter(X, y)
plt.title("Dataset")
plt.xlabel("First feature")
plt.ylabel("Second feature")
plt.show()

In [6]:

# Split the data into a training and test set
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y)
print(f'Shape X_train: {X_train.shape}')
print(f'Shape y_train: {y_train.shape}')
print(f'Shape X_test: {X_test.shape}')
print(f'Shape y_test: {y_test.shape}')

Shape X_train: (375, 1) Shape y_train: (375, 1) Shape X_test: (125, 1) Shape y_test: (125, 1)

線性迴歸分類

In [23]:

class LinearRegression:
   
   def __init__(self):
       pass
   
   def train_gradient_descent(self, X, y, learning_rate=0.01, n_iters=100):
       """
       Trains a linear regression model using gradient descent
       """

       # Step 0: Initialize the parameters
       n_samples, n_features = X.shape
       self.weights = np.zeros(shape=(n_features,1))
       self.bias = 0
       costs = []
       
       for i in range(n_iters):
           # Step 1: Compute a linear combination of the input features and weights
           y_predict = np.dot(X, self.weights) + self.bias
         
           # Step 2: Compute cost over training set
           cost = (1 / n_samples) * np.sum((y_predict - y)**2)
           costs.append(cost)
         
           if i % 100 == 0:
               print(f"Cost at iteration {i}: {cost}")
           
           # Step 3: Compute the gradients
           dJ_dw = (2 / n_samples) * np.dot(X.T, (y_predict - y))
           dJ_db = (2 / n_samples) * np.sum((y_predict - y))
           
           # Step 4: Update the parameters
           self.weights = self.weights - learning_rate * dJ_dw
           self.bias = self.bias - learning_rate * dJ_db
       
       return self.weights, self.bias, costs
 
   def train_normal_equation(self, X, y):
       """
       Trains a linear regression model using the normal equation
       """

       self.weights = np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(X.T, X)), X.T), y)
       self.bias = 0
       
       return self.weights, self.bias
       
   def predict(self, X):
       return np.dot(X, self.weights) + self.bias

使用梯度下降進行訓練

In [24]:

regressor = LinearRegression()
w_trained, b_trained, costs = regressor.train_gradient_descent(X_train, y_train, learning_rate=0.005, n_iters=600)
fig = plt.figure(figsize=(8,6))
plt.plot(np.arange(n_iters), costs)
plt.title("Development of cost during training")
plt.xlabel("Number of iterations")
plt.ylabel("Cost")
plt.show()


Cost at iteration 0: 66.45256981003433 Cost at iteration 100: 2.2084346146095934 Cost at iteration 200: 1.2797812854182806 Cost at iteration 300: 1.2042189195356685 Cost at iteration 400: 1.1564867816573 Cost at iteration 500: 1.121391041394467

測試(梯度下降模型)

In [28]:

n_samples, _ = X_train.shape
n_samples_test, _ = X_test.shape

y_p_train = regressor.predict(X_train)
y_p_test = regressor.predict(X_test)

error_train =  (1 / n_samples) * np.sum((y_p_train - y_train) ** 2)
error_test =  (1 / n_samples_test) * np.sum((y_p_test - y_test) ** 2)

print(f"Error on training set: {np.round(error_train, 4)}")
print(f"Error on test set: {np.round(error_test)}")

Error on training set: 1.0955

Error on test set: 1.0

使用正規方程(normal equation)訓練

# To compute the parameters using the normal equation, we add a bias value of 1 to each input example
X_b_train = np.c_[np.ones((n_samples)), X_train]
X_b_test = np.c_[np.ones((n_samples_test)), X_test]

reg_normal
= LinearRegression()
w_trained = reg_normal.train_normal_equation(X_b_train, y_train)

測試(正規方程模型)

y_p_train = reg_normal.predict(X_b_train)
y_p_test = reg_normal.predict(X_b_test)

error_train =  (1 / n_samples) * np.sum((y_p_train - y_train) ** 2)
error_test =  (1 / n_samples_test) * np.sum((y_p_test - y_test) ** 2)

print(f"Error on training set: {np.round(error_train, 4)}")
print(f"Error on test set: {np.round(error_test, 4)}")

Error on training set: 1.0228

Error on test set: 1.0432

視覺化測試預測

# Plot the test predictions


fig = plt.figure(figsize=(8,6))
plt.scatter(X_train, y_train)
plt.scatter(X_test, y_p_test)
plt.xlabel("First feature")
plt.ylabel("Second feature")
plt.show()

2. Logistic 迴歸演算法

在 Logistic 迴歸中,我們試圖對給定輸入特徵的線性組合進行建模,來得到其二元變數的輸出結果。例如,我們可以嘗試使用競選候選人花費的金錢和時間資訊來預測選舉的結果(勝或負)。Logistic 迴歸演算法的工作原理如下。

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