每日一博 | 梯度下降法求多元线性回归及 Java 实现

梯度下降法求多元线性回归及Java实现

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对于数据分析而言，我们总是极力找数学模型来描述数据发生的规律， 有的数据我们在二维空间就可以描述，有的数据则需要映射到更高维的空间。数据表现出来的分布可能是完全离散的，也可能是聚集成堆的，那么机器学习的任务就是让计算机自己在数据中学习到数据的规律。那么这个规律通常是可以用一些函数来描述，函数可能是线性的，也可能是非线性的，怎么找到这些函数，是机器学习的首要问题。

本篇博客尝试用梯度下降法，找到线性函数的参数，来拟合一个数据集。

假设我们有如下函数 ，其中x是一个三个维度，

写一个java程序来，随机产生100笔数据作为训练集。

Random random = new Random();
double[] results = new double[100];
double[][] features = new double[100][3];
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    for (int j = 0; j < features[i].length; j++) {
	features[i][j] = random.nextDouble();
    }
    results[i] = 3 * features[i][0] + 4 * features[i][1] + 5 * features[i][2] + 10;
}

上面的程序中results就是函数的值，features的第二维就是随机产生的3个x。

有了训练集，我们的任务就变成了如何求出3个各种的系数3、4、5，以及偏移量10，系数和偏移量可以取任意值，那么我们就得到了一个函数集，任务转化一下就变成了找出一个函数作用于训练集之后，与真实值的误差最小，如何评判误差的大小呢？我们需要定义一个函数来评判，那么给这个函数取一个名字，叫损失函数。这里，损失函数定义为 ，其中 为真实值，问题就转化为在训练集中求如下函数：

如何求这个函数的极小值呢？如果我们计算能力无限大，直接穷举就完了，但是这不是高效的办法，这时候就说的了梯度下降法，我们来看看数学里对梯度的定义。

在微积分里面，对多元函数的参数求∂偏导数，把求得的各个参数的偏导数以向量的形式写出来，就是梯度。比如函数f(x,y), 分别对x,y求偏导数，求得的梯度向量就是(∂f/∂x, ∂f/∂y)T,简称grad f(x,y)或者▽f(x,y)。

梯度告诉我们两件事情：

1、函数增大的方向

2、我们走向增大的方向，应该走多大步幅

求极小值，我们反方向走即可，加个负号，但是这个步幅有个问题，如果过大，参数就直接飞出去了，就很难在找到最小值，如果太小，则很有可能卡在局部极小值的地方。所以，我们设计了一个系数来调节步幅，我们叫它学习速率learningRate。

好了，为了好描述，我们把上面的函数泛化一下，表示成如下公式：

损失函数对每个参数求偏导数，根据偏导数值，当然求导的过程需要用到链式法则，,这里我们直接给出参数更新公式如下：

对于BGD（批量梯度下降法）：

对于SGD（随机梯度下降法），SGD与BGD不同的是每笔数据，我们都更新一次参数，效率比较低下。公式和上面类似，去掉求和符号和除以N即可。

下面是具体的代码实现

import java.util.Random;
 
public class LinearRegression {
 
	public static void main(String[] args) {
		// y=3*x1+4*x2+5*x3+10
		Random random = new Random();
		double[] results = new double[100];
		double[][] features = new double[100][3];
		for (int i = 0; i < 100; i++) {
			for (int j = 0; j < features[i].length; j++) {
				features[i][j] = random.nextDouble();
			}
			results[i] = 3 * features[i][0] + 4 * features[i][1] + 5 * features[i][2] + 10;
		}
		double[] parameters = new double[] { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
		double learningRate = 0.01;
		for (int i = 0; i < 30; i++) {
			SGD(features, results, learningRate, parameters);
		}
		parameters = new double[] { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
		System.out.println("==========================");
		for (int i = 0; i < 3000; i++) {
			BGD(features, results, learningRate, parameters);
		}
	}
 
	private static void SGD(double[][] features, double[] results, double learningRate, double[] parameters) {
		for (int j = 0; j < results.length; j++) {
			double gradient = (parameters[0] * features[j][0] + parameters[1] * features[j][1]
					+ parameters[2] * features[j][2] + parameters[3] - results[j]) * features[j][0];
			parameters[0] = parameters[0] - 2 * learningRate * gradient;
 
			gradient = (parameters[0] * features[j][0] + parameters[1] * features[j][1] + parameters[2] * features[j][2]
					+ parameters[3] - results[j]) * features[j][1];
			parameters[1] = parameters[1] - 2 * learningRate * gradient;
 
			gradient = (parameters[0] * features[j][0] + parameters[1] * features[j][1] + parameters[2] * features[j][2]
					+ parameters[3] - results[j]) * features[j][2];
			parameters[2] = parameters[2] - 2 * learningRate * gradient;
 
			gradient = (parameters[0] * features[j][0] + parameters[1] * features[j][1] + parameters[2] * features[j][2]
					+ parameters[3] - results[j]);
			parameters[3] = parameters[3] - 2 * learningRate * gradient;
		}
		
		double totalLoss = 0;
		for (int j = 0; j < results.length; j++) {
			totalLoss = totalLoss + Math.pow((parameters[0] * features[j][0] + parameters[1] * features[j][1]
					+ parameters[2] * features[j][2] + parameters[3] - results[j]), 2);
		}
		System.out.println(parameters[0] + " " + parameters[1] + " " + parameters[2] + " " + parameters[3]);
		System.out.println("totalLoss:" + totalLoss);
	}
 
	private static void BGD(double[][] features, double[] results, double learningRate, double[] parameters) {
		double sum = 0;
		for (int j = 0; j < results.length; j++) {
			sum = sum + (parameters[0] * features[j][0] + parameters[1] * features[j][1]
					+ parameters[2] * features[j][2] + parameters[3] - results[j]) * features[j][0];
		}
		double updateValue = 2 * learningRate * sum / results.length;
		parameters[0] = parameters[0] - updateValue;
 
		sum = 0;
		for (int j = 0; j < results.length; j++) {
			sum = sum + (parameters[0] * features[j][0] + parameters[1] * features[j][1]
					+ parameters[2] * features[j][2] + parameters[3] - results[j]) * features[j][1];
		}
		updateValue = 2 * learningRate * sum / results.length;
		parameters[1] = parameters[1] - updateValue;
 
		sum = 0;
		for (int j = 0; j < results.length; j++) {
			sum = sum + (parameters[0] * features[j][0] + parameters[1] * features[j][1]
					+ parameters[2] * features[j][2] + parameters[3] - results[j]) * features[j][2];
		}
		updateValue = 2 * learningRate * sum / results.length;
		parameters[2] = parameters[2] - updateValue;
 
		sum = 0;
		for (int j = 0; j < results.length; j++) {
			sum = sum + (parameters[0] * features[j][0] + parameters[1] * features[j][1]
					+ parameters[2] * features[j][2] + parameters[3] - results[j]);
		}
		updateValue = 2 * learningRate * sum / results.length;
		parameters[3] = parameters[3] - updateValue;
 
		double totalLoss = 0;
		for (int j = 0; j < results.length; j++) {
			totalLoss = totalLoss + Math.pow((parameters[0] * features[j][0] + parameters[1] * features[j][1]
					+ parameters[2] * features[j][2] + parameters[3] - results[j]), 2);
		}
		System.out.println(parameters[0] + " " + parameters[1] + " " + parameters[2] + " " + parameters[3]);
		System.out.println("totalLoss:" + totalLoss);
	}
}

运行结果如下：

同样是更新3000次参数。

1、SGD结果：

参数分别为：3.087332784857909 、4.075233812033048 、5.06020828348889、 9.89116046652793

totalLoss:0.13515381461776949

2、BGD结果：

参数分别为：3.0819123489025344 、4.064145151461403、5.046862571520019、 9.899847277313173

totalLoss:0.1050937019067582

可以看出，BGD有更好的表现。

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