最小二乘法 python实现
- #-*-coding:UTF-8-*-
- # Created on 2015年10月20日
- # @author: hanahimi
- import numpy as np
- import random
- import matplotlib.pyplot as plt
- def randData():
- # 生成曲线上各个点
- x = np.arange(-1,1,0.02)
- y = [2*a+3 for a in x] # 直线
- # y = [((a*a-1)*(a*a-1)*(a*a-1)+0.5)*np.sin(a*2) for a in x] # 曲线
- xa = []; ya = []
- # 对曲线上每个点进行随机偏移
- for i in range(len(x)):
- d = np.float(random.randint(90,120))/100
- ya.append(y[i]*d)
- xa.append(x[i]*d)
- return xa,ya
- def hypfunc(x,A):
- # 输入:x 横坐标数值, A 多项式系数 [a0,a1,...,an-1]
- # 返回 y = hypfunc(x)
- return np.sum(A[i]*(x**i) for i in range(len(A)))
- # 使用 θ = (X.T*X + λI)^-1 * X.T * y求解直线参数
- # 该函数会在X的前面添加偏移位X0 = 1
- def LS_line(X,Y, lam = 0.01):
- X = np.array(X)
- X = np.vstack((np.ones((len(X),)),X)) # 往上面添加X0
- X = np.mat(X).T # (m,n)
- Y = np.mat(Y).T # (m,1)
- M, N = X.shape
- I = np.eye(N, N) # 单位矩阵
- theta = ((X.T * X + lam*I)**-1)*X.T*Y # 核心公式
- theta = np.array(np.reshape(theta,len(theta)))[0]
- return theta # 返回一个一维数组
- # 使用随机梯度下降法求解最小二参数:
- # alpha 迭代步长(固定步长),epslion 收敛标准
- def LS_sgd(X,Y,alpha=0.1, epslion = 0.003):
- X = [[1,xi] for xi in X] # 补上偏移量x0
- N = len(X[0]) # X的维度
- M = len(X) # 样本个数
- theta = np.zeros((N,)) # 参数初始值
- last_theta = np.zeros(theta.shape)
- times = 10000
- while times > 0:
- times -= 1
- for i in range(M):
- last_theta[:] = theta[:]
- for j in range(N):
- theta[j] -= alpha * (np.dot(theta,X[i])-Y[i])*X[i][j]
- if np.sum((theta - last_theta)**2) <= epslion: # 当前后参数的变化小于一定程度时可以终止迭代
- break
- return theta
- # 根据输入值:X向量,即拟合阶数,计算对应的范德蒙矩阵
- def vandermonde_matrix(X, Y, order=1):
- # 根据数据点构造X,Y的 范德蒙德矩阵
- m = len(Y)
- matX = np.array([[np.sum([X[i]**(k2+k1) for i in range(m)])
- for k2 in range(order+1)] for k1 in range(order+1)])
- matY = np.array([np.sum([(X[i]**k)*Y[i] for i in range(m)])
- for k in range(order+1)])
- theta = np.linalg.solve(matX, matY)
- return theta
- if __name__=="__main__":
- pass
- X, Y = randData()
- theta = vandermonde_matrix(X, Y, order=1)
- theta = LS_sgd(X,Y)
- # 画出数据点与拟合曲线
- plt.figure()
- plt.plot(X,Y,linestyle='',marker='.')
- yhyp = [hypfunc(X[i],theta) for i in range(len(X))]
- plt.plot(X, yhyp,linestyle='-')
- plt.show()
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