使用 MSE 将二次函数拟合到数据

所以我的想法是(借用神经网络人员),如果我有数据集 D,我可以通过首先计算误差相对于参数(a、b 和 c)的导数来拟合二次曲线,然后然后做一个小的更新来最小化错误。我的问题是,下面的代码实际上并不能适应曲线。对于线性的东西,类似的方法是有效的,但二次似乎由于某种原因失败了。你能看到我做错了什么吗(假设或只是实现错误)

编辑:问题不够具体:以下代码不能很好地处理数据偏差。由于某种原因,它以某种方式更新了 a 和 b 参数,而 c 被抛在了后面。这种方法类似于机器人技术(使用雅可比行列式查找路径)和神经网络(根据错误查找参数),因此它不是不合理的算法,现在的问题是,为什么这种特定实现不会产生我期望的结果。

在下面的Python代码中,我使用math作为m,MSE是计算两个数组之间的均方误差的函数。除此之外,代码是独立的

代码:

def quadraticRegression(data, dErr):

    a = 1 #Starting values

    b = 1

    c = 1


    a_momentum = 0 #Momentum to counter steady state error

    b_momentum = 0

    c_momentum = 0


    estimate = [a*x**2 + b*x + c for x in range(len(data))] #Estimate curve

    error = MSE(data, estimate) #Get errors 'n stuff

    errorOld = 0


    lr = 0.0000000001 #learning rate

    while abs(error - errorOld) > dErr:

        #Fit a (dE/da)

        deda = sum([ 2*x**2 * (a*x**2 + b*x + c - data[x]) for x in range(len(data)) ])/len(data)

        correction = deda*lr

        a_momentum = (a_momentum)*0.99 + correction*0.1 #0.99 is to slow down momentum when correction speed changes

        a = a - correction - a_momentum

    

        #fit b (dE/db)

        dedb = sum([ 2*x*(a*x**2 + b*x + c - data[x]) for x in range(len(data))])/len(data)

        correction = dedb*lr

        b_momentum = (b_momentum)*0.99 + correction*0.1

        b = b - correction - b_momentum


        #fit c (dE/dc)

        dedc = sum([ 2*(a*x**2 + b*x + c - data[x]) for x in range(len(data))])/len(data)

        correction = dedc*lr

        c_momentum = (c_momentum)*0.99 + correction*0.1

        c = c - correction - c_momentum


        #Update model and find errors

        estimate = [a*x**2 +b*x + c for x in range(len(data))]

        errorOld = error

        print(error)

        error = MSE(data, estimate)


    return a, b, c, error


慕勒3428872
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1回答

慕姐4208626

对我来说,你的代码看起来完全正确!至少算法是正确的。我已经更改了您的代码以用于numpy快速计算而不是纯Python。另外,我还配置了一些参数,例如改变了动量和学习率,也实现了MSE。然后我用来matplotlib画情节动画。最后,在动画上,看起来您的回归实际上试图将曲线拟合到数据。尽管在最后一次拟合迭代中它sin(x)看起来像线性近似,但仍然尽可能接近二次曲线的数据点。但对于for in来说,它看起来像是理想的近似(它从迭代周围开始拟合)。x[0; 2 * pi]sin(x)x[0; pi]12-thi-th动画帧只是用 进行回归dErr = 0.7 ** (i + 15)。我的动画运行脚本有点慢,但是如果您save像这样添加参数python script.py save,它将渲染/保存以line.gif绘制绘图动画。如果您在没有参数的情况下运行脚本,它将在您的 PC 屏幕上实时绘制/拟合动画。完整的代码在图形之后,代码需要通过运行一次安装一些Python模块python -m pip install numpy matplotlib。接下来是sin(x)在x:(0, pi)接下来是sin(x)在x:(0, 2 * pi)接下来是abs(x)在x:(-1, 1)# Needs: python -m pip install numpy matplotlibimport math, sysimport numpy as np, matplotlib.pyplot as plt, matplotlib.animation as animationfrom matplotlib.animation import FuncAnimationx_range = (0., math.pi, 0.1) # (xmin, xmax, xstep)y_range = (-0.2, 1.2) # (ymin, ymax)num_iterations = 50def f(x):    return np.sin(x)def derr(iteration):    return 0.7 ** (iteration + 15)        def MSE(a, b):    return (np.abs(np.array(a) - np.array(b)) ** 2).mean()def quadraticRegression(*, x, data, dErr):    x, data = np.array(x), np.array(data)    assert x.size == data.size, (x.size, data.size)    a = 1 #Starting values    b = 1    c = 1    a_momentum = 0.1 #Momentum to counter steady state error    b_momentum = 0.1    c_momentum = 0.1    estimate = a*x**2 + b*x + c #Estimate curve    error = MSE(data, estimate) #Get errors 'n stuff    errorOld = 0.    lr = 10. ** -4 #learning rate    while abs(error - errorOld) > dErr:        #Fit a (dE/da)        deda = np.sum(2*x**2 * (a*x**2 + b*x + c - data))/len(data)        correction = deda*lr        a_momentum = (a_momentum)*0.99 + correction*0.1 #0.99 is to slow down momentum when correction speed changes        a = a - correction - a_momentum            #fit b (dE/db)        dedb = np.sum(2*x*(a*x**2 + b*x + c - data))/len(data)        correction = dedb*lr        b_momentum = (b_momentum)*0.99 + correction*0.1        b = b - correction - b_momentum        #fit c (dE/dc)        dedc = np.sum(2*(a*x**2 + b*x + c - data))/len(data)        correction = dedc*lr        c_momentum = (c_momentum)*0.99 + correction*0.1        c = c - correction - c_momentum        #Update model and find errors        estimate = a*x**2 +b*x + c        errorOld = error        #print(error)        error = MSE(data, estimate)    return a, b, c, error        fig, ax = plt.subplots()fig.set_tight_layout(True)x = np.arange(x_range[0], x_range[1], x_range[2])#ax.scatter(x, x + np.random.normal(0, 3.0, len(x)))line0, line1 = None, Nonedo_save = len(sys.argv) > 1 and sys.argv[1] == 'save'def g(x, derr):    a, b, c, error = quadraticRegression(x = x, data = f(x), dErr = derr)    return a * x ** 2 + b * x + c    def dummy(x):    return np.ones_like(x, dtype = np.float64) * 100.def update(i):    global line0, line1        de = derr(i)        if line0 is None:        assert line1 is None        line0, = ax.plot(x, f(x), 'r-', linewidth=2)        line1, = ax.plot(x, g(x, de), 'r-', linewidth=2, color = 'blue')        ax.set_ylim(y_range[0], y_range[1])            if do_save:        sys.stdout.write(str(i) + ' ')        sys.stdout.flush()    label = 'iter {0} derr {1}'.format(i, round(de, math.ceil(-math.log(de) / math.log(10)) + 2))    line1.set_ydata(g(x, de))    ax.set_xlabel(label)    return line1, axif __name__ == '__main__':    anim = FuncAnimation(fig, update, frames = np.arange(0, num_iterations), interval = 200)    if do_save:        anim.save('line.gif', dpi = 200, writer = 'imagemagick')    else:        plt.show()
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