【正则化】
回顾上一篇博客,出现过拟合的原因,无非就是学习模型学习能力过强,额外学习了训练集自身的特性,导致预测模型能够很好的适应于训练集,但是其泛化能力太差。出现过拟合的常见情况主要有以下2个方面:
- 特征参数过多,而训练样本过少
- 数据中包含异常样本,没有进行数据清洗(数据集自身特征太过明显)
正则化,是专门解决过拟合的优化算法。上一篇文章中我们不难理解,出现过拟合就是假设预测函数中的高阶项引起的,例如预测模型为:
那么减小其中高阶项的参数(权重)或者将其参数置为零,那么预测函数便可以很好的拟合数据,并且具备很好的泛化能力。在具体的算法实现过程中,我们在代价函数(CostFunction)中为特征参数添加相应的惩罚,使相应的系数权重减小,如下式:
其中表示样本数量,表示特征参数数量,称为正则化参数。
正则化参数的取值也直接影响到最终的预测函数,如果:
- 取值过大,则导致整体参数过小,会出现欠拟合的情况;
- 取值过小,又不能很好地达到缩小特征参数的效果
所以选取合适的 很重要。
【正则化线性回归】
正则化线性回归的代价函数为:
对于梯度下降算法:
进一步整理为:
对于正规方程法:
图中的矩阵尺寸为
【正则化逻辑回归】
正则化逻辑回归的代价函数为:
梯度下降实现为:
以吴恩达逻辑回归正则化的作业为例,具体代码如下:
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import scipy.optimize as opt
from sklearn.metrics import classification_report
from sklearn import linear_model
def readData(path,rename):
data = pd.read_csv(path,names=rename)
return data
def plot_data():
positive =data[data['Accepted'].isin([1])]
negative =data[data['Accepted'].isin([0])]
fig,ax =plt.subplots(figsize=(8,5))
ax.scatter(positive['Test 1'], positive['Test 2'], s=50, c='b', marker='o', label='Accepted')
ax.scatter(negative['Test 1'], negative['Test 2'], s=50, c='r', marker='x', label='Rejected')
ax.legend()
ax.set_xlabel('Test 1 Score')
ax.set_ylabel('Test 2 Score')
#特征映射
def feature_mapping(x1, x2, power):
data = {}
for i in np.arange(power + 1):
for p in np.arange(i + 1):
data["f{}{}".format(i - p, p)] = np.power(x1, i - p) * np.power(x2, p)
# data = {"f{}{}".format(i - p, p): np.power(x1, i - p) * np.power(x2, p)
# for i in np.arange(power + 1)
# for p in np.arange(i + 1)
# }
return pd.DataFrame(data)
def sigmoid(z):
return 1 / (1 + np.exp(- z))
def cost(theta, X, Y):
left = (-Y) * np.log(sigmoid(X @ theta))
right = (1 - Y)*np.log(1 - sigmoid(X @ theta))
return np.mean(left - right)
def costReg(theta, X, Y, l=1):
# 不惩罚第一项
_theta = theta[1: ]
reg = (l / (2 * len(X))) *(_theta @ _theta) # _theta@_theta == inner product
return cost(theta, X, Y) + reg
def gradient(theta, X, Y):
return (X.T @ (sigmoid(X @ theta) - Y))/len(X)
def gradientReg(theta, X, Y, l=1):
reg = (1 / len(X)) * theta
reg[0] = 0
return gradient(theta, X, Y) + reg
def predict(theta, X):
probability = sigmoid(X@theta)
return [1 if x >= 0.5 else 0 for x in probability]
if __name__ =="__main__":
data = readData('ex2data2.txt',['Test 1','Test 2','Accepted'])
print(data.head())
plot_data()
x1 = data['Test 1'].as_matrix()
x2 = data['Test 2'].as_matrix()
data2 =feature_mapping(x1,x2,power=6)
print(data2)
X=data2.as_matrix()
Y=data['Accepted'].as_matrix()
theta =np.zeros(X.shape[1])
print(X.shape,Y.shape,theta.shape)
print(costReg(theta,X,Y,l=1))
print(gradientReg(theta, X, Y, 1))
result = opt.fmin_tnc(func=costReg, x0=theta, fprime=gradientReg, args=(X, Y, 2))
print(result)
model = linear_model.LogisticRegression(penalty='l2', C=1.0)
model.fit(X, Y.ravel())
print(model.score(X,Y))
final_theta = result[0]
predictions = predict(final_theta, X)
correct = [1 if a==b else 0 for (a, b) in zip(predictions, Y)]
accuracy = sum(correct) / len(correct)
print(accuracy)
print(classification_report(Y, predictions))
x = np.linspace(-1, 1.5, 250)
xx, yy = np.meshgrid(x, x)
z = feature_mapping(xx.ravel(), yy.ravel(), 6).as_matrix()
z = z @ final_theta
z = z.reshape(xx.shape)
plot_data()
plt.contour(xx, yy, z, 0)
plt.ylim(-.8, 1.2)
最终的决策边界图如下所示:
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