线性回归预测房价

骑猪看日落 2023-06-11 11:23 21阅读 0赞

> 给定数据集dataSet，每一行代表一组数据记录,每组数据记录中，第一个值为房屋面积（单位：平方英尺），第二个值为房屋中的房间数，第三个值为房价（单位：千美元），试用梯度下降法，构造损失函数，在函数gradientDescent中实现房价price关于房屋面积area和房间数rooms的线性回归，返回值为线性方程 price =  θ 0 \\theta\_0 θ0\+ θ 1 \\theta\_1 θ1∗area+ θ 2 \\theta\_2 θ2∗rooms 中系数  θ i \\theta\_i θi(?=0,1,2) 的列表

思路：  
我们将用梯度下降法来拟合出这条直线！  
首先，我们需要定义一个代价函数，在此我们选用**均方误差代价函数**  
 J ( θ ) = 1 2 m ∑ i = 1 m h θ ( x ( i ) − y ( i ) ) 2 J(\\theta) = \\frac \{1\}\{2m\}\\sum\_\{i=1\}^\{m\}\{h\_\{\\theta\}(x^\{(i)\}-y^\{(i)\})^2\} J(θ)=2m1i=1∑mhθ(x(i)−y(i))2

>  *  m是数据集中点的个数
>  *   1 2 \\frac \{1\}\{2\} 21是一个常量，这样是为了在求梯度的时候，二次方乘下来就和这里的 1 2 \\frac \{1\}\{2\} 21抵消了，自然就没有多余的常数系数，方便后续的计算，同时对结果不会有影响
>  *  y 是数据集中每个点的真实y坐标的值
>  *  h 是我们的预测函数，根据每一个输入x，根据  θ \\theta θ 计算得到预测的y值，即  
>      h θ ( x ( i ) ) = θ 0 + θ 1 x 1 ( i ) h\_\{\\theta\}(x^\{(i)\})= \\theta\_0 + \\theta\_1x\_1^\{(i)\} hθ(x(i))=θ0\+θ1x1(i)，

本题的 h θ ( x ( i ) ) h\_\{\\theta\}(x^\{(i)\}) hθ(x(i))函数为 price =  θ 0 \\theta\_0 θ0\+ θ 1 \\theta\_1 θ1∗area+ θ 2 \\theta\_2 θ2∗rooms  
我们可以根据代价函数看到，代价函数中的变量有三个( θ 0 ， θ 1 ， θ 2 \\theta\_0，\\theta\_1，\\theta\_2 θ0，θ1，θ2)，所以是一个多变量的梯度下降问题，求解出代价函数的梯度，也就是分别对三个变量进行微分  
 ∇ J ( θ ) = ⟨ ∂ J ∂ θ 0 , ∂ J ∂ θ 1 , ∂ J ∂ θ 2 ⟩ \\nabla J(\\theta) = \\langle \\frac\{\\partial J\}\{\\partial \\theta\_0\} ,\\frac\{\\partial J\}\{\\partial \\theta\_1\},\\frac\{\\partial J\}\{\\partial \\theta\_2\} \\rangle ∇J(θ)=⟨∂θ0∂J,∂θ1∂J,∂θ2∂J⟩  
 ∂ J ∂ θ 0 = 1 m ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) \\frac\{\\partial J\}\{\\partial \\theta\_0\} = \\frac\{1\}\{m\}\\sum\_\{i=1\}^m (\{h\_\{\\theta(x^\{(i)\})-y^\{(i)\}\})\} ∂θ0∂J=m1i=1∑m(hθ(x(i))−y(i))  
 ∂ J ∂ θ 1 = 1 m ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) x 1 ( i ) \\frac\{\\partial J\}\{\\partial \\theta\_1\} = \\frac\{1\}\{m\}\\sum\_\{i=1\}^m \{(h\_\{\\theta(x^\{(i)\})-y^\{(i)\}\})\}x\_1^\{(i)\} ∂θ1∂J=m1i=1∑m(hθ(x(i))−y(i))x1(i)  
 ∂ J ∂ θ 2 = 1 m ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) x 2 ( i ) \\frac\{\\partial J\}\{\\partial \\theta\_2\} = \\frac\{1\}\{m\}\\sum\_\{i=1\}^m \{(h\_\{\\theta(x^\{(i)\})-y^\{(i)\}\})\}x\_2^\{(i)\} ∂θ2∂J=m1i=1∑m(hθ(x(i))−y(i))x2(i)

这个表达式 的意思就是 求 θ \\theta θ的偏导 就是先将预测值  h θ ( x ( i ) ) h\_\{\\theta\}(x^\{(i)\}) hθ(x(i))减去实际的值 y ( i ) y^\{(i)\} y(i)乘以偏移量 x ( i ) x^\{(i)\} x(i) 的总和加起来除以所有的组数。  
明确了代价函数和梯度，以及预测的函数形式。我们就可以开始编写代码了。  
每次迭代时，都会有 θ \\theta θ =  θ \\theta θ \-  ∂ J ∂ θ \\frac\{\\partial J\}\{\\partial \\theta\} ∂θ∂J\*lr (learning rate)，经过n次迭代后，最终梯度下降到最优解附近。此时，模型就训练成功。

首先确定这是一个三元线性回归问题，我们需要人为设置的参数有学习率learning rate，还有迭代的次数epchos。  
实现该线性回归主要有三步：  
第一步，获得要训练的数据，也就是房子的大小，房间数以及房子的价格  
第二步：设置初始的三个未知数 θ 0 , θ 1 , θ 2 \\theta\_0,\\theta\_1,\\theta\_2 θ0,θ1,θ2的值，也就是线性方程的系数，刚开始，随机为1,2,1  
第三步：根据设置的 θ 0 , θ 1 , θ 2 \\theta\_0,\\theta\_1,\\theta\_2 θ0,θ1,θ2的值，将相应的房间大小和房价数都放入函数中，求得一个预测的房价preditc\_y。用预测的房价减去实际的房价，对他们的结果求平方，并将这n组数据求得的平方结果累加起来。来算一下损失函数（就是求均方差）。  
每次预测完房子的价格，都将相应的 θ 0 , θ 1 , θ 2 \\theta\_0,\\theta\_1,\\theta\_2 θ0,θ1,θ2向真实的房价偏移，偏移量是（预测房价-真实房价）X 相应的参数（如果求 θ 0 \\theta\_0 θ0，那就是乘1，如果是 θ 1 \\theta\_1 θ1，那就乘area对应的值，如果是 θ 2 \\theta\_2 θ2，那就乘rooms对应的值），该偏移量是向上偏移（即函数中的系数 θ \\theta θ值变大）还是向下偏移，取决于预测值predict\_y是低于还是高于真实价格。  
就这样一直进行偏移量操作，一直对 θ \\theta θ进行迭代。

下面就上代码吧  
导入库函数和数据

%matplotlib inline
    
    import numpy as np
    import pandas as pd
    import matplotlib.pyplot as plt
    from numpy import genfromtxt
    dataPath = r"./Input/data1.csv"
    dataSet = pd.read_csv(dataPath,header=None)
    
    price = []
    rooms = []
    area = []
    
    for data in range(0,len(dataSet)):
        area.append(dataSet[0][data])
        rooms.append(dataSet[1][data])
        price.append(dataSet[2][data])

梯度下降核心代码

def gradientDescent(rooms, price, area):
        """
        梯度下降法。给定起始点与目标函数的一阶导数，求在epochs次迭代中theta0,theta1,theta2的更新值
        param theta0
        """
        theta = [1,2,1] #预设theta初值
        learn_rate = 0.0000000001 #学习率
        predit_y = 0 #预测值
        loss = [] #损失数组
        epochs = 5000 #迭代次数
        
        for j in range(epochs):
            theta0,theta1,theta2= 0,0,0
            loss_t = 0 #计算总体的方差
            for i in range(5):   #一共五组数据
                predit_y =  theta[0] + theta[1] * area[i] + theta[2]*rooms[i]
                theta0 = theta0 + (predit_y - price[i])*1
                theta1 = theta1 + (predit_y - price[i])*area[i]
                theta2 = theta2 + (predit_y - price[i])*rooms[i] 
                loss_t = loss_t + ((predit_y-price[i])**2)/2
            loss.append(loss/5)
            theta0 = theta0  / 5
            theta1 = theta1  / 5
            theta2 = theta2  / 5
            theta[0] = theta[0] - theta0*learn_rate
            theta[1] = theta[1] - theta1*learn_rate
            theta[2] = theta[2] - theta2*learn_rate
        plt.plot(loss,c='b')
        plt.show()
        return theta

主函数调用

def demo_GD():
        print("hello")
        gradientDescent(rooms,price,area)
    demo_GD()

参考文章：

> 作者：六尺帐篷  
> 链接：[https://www.jianshu.com/p/c7e642877b0e][https_www.jianshu.com_p_c7e642877b0e]  
> 来源：简书  
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[https_www.jianshu.com_p_c7e642877b0e]: https://www.jianshu.com/p/c7e642877b0e