批梯度下降和随机梯度下降的区别和代码实现

转载：panghaomingme

批梯度下降和随机梯度下降存在着一定的差异，主要是在theta的更新上，批量梯度下降使用的是将所有的样本都一批次的引入到theta的计算中，而随机梯度下降在更新theta时只是随机选择所有样本中的一个，然后对theta求导，所以随机梯度下降具有较快的速度，但是可能陷入局部最优解

以下是代码实现：

# coding:utf-8

import numpy as np
import random


def BGD(x, y, theta, alpha, m, max_iteration):
    """
    批量梯度下降法:batch_Gradient_Descent
    :param x:train_data
    :param y:train_label
    :param theta:初始化权重
    :param alpha:学习速率
    :param m:
    :param max_iteration:迭代次数
    :return:
    """
    x_train = x.transpose()

    for i in range(0, max_iteration):

        hypothesis = np.dot(x, theta)  # 神经网络输出
        loss = hypothesis - y   # 损失函数
        # 下降梯度
        gradient = np.dot(x_train, loss) / m
        # 求导之后得到theta
        theta = theta - alpha * gradient
    return theta


def SGD(x, y, theta, alpha, m, max_iteration):
    """
    随机梯度下降法:stochastic_Gradient_Descent
    :param x:train_data
    :param y:train_label
    :param theta:初始化权重
    :param alpha:学习速率
    :param m:
    :param max_iteration:迭代次数
    :return:
    """
    data = list(range(4))

    for i in range(0, max_iteration):
        hypothesis = np.dot(x, theta)

        loss = hypothesis - y  # 损失函数
        index = random.sample(data, 1)[0]  # 从data列表中随机选取一个数

        # 下降梯度
        gradient = loss[index] * x[index]

        # 求导之后得到theta
        theta = theta - alpha * gradient
    return theta
    
    # 以下写法也可以，这种运算量较少
    # data = list(range(4))
    # 
    # for i in range(0, max_iteration):
    # 
    #     index = random.sample(data, 1)[0]  # 从data列表中随机选取一个数
    # 
    #     hypothesis = np.dot(x[index], theta)  # 计算神经网络的输出（无激活函数）
    #     loss = hypothesis - y[index]  # 损失函数
    #     # 下降梯度
    #     gradient = loss * x[index]
    # 
    #     # 求导之后得到theta
    #     theta = theta - alpha * gradient
    # return theta


def main():
    train_data = np.array([[1, 4, 2], [2, 5, 3], [5, 1, 6], [4, 2, 8]])
    train_label = np.array([19, 26, 19, 20])

    m, n = np.shape(train_data)  # 读取矩阵的长度,shape[0]就是读取矩阵第一维度的长度
    # 初始化权重都为1
    theta = np.ones(n)  # ones()函数用以创建指定形状和类型的数组,默认情况下返回的类型是float64

    max_iteration = 500  # 迭代次数
    alpha = 0.01  # 学习速率

    # --------------------------------------------------------------------------------
    theta1 = BGD(train_data, train_label, theta, alpha, m, max_iteration)
    print(theta1)
    theta2 = SGD(train_data, train_label, theta, alpha, m, max_iteration)
    print(theta2)


if __name__ == "__main__":
    main()

输出结果：

批梯度下降和随机梯度下降的区别和代码实现

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