softmax回归的实现

softmax回归是logistic回归在多分类问题上的推广

原理

网络架构:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
常用的方式是独热编码:
在这里插入图片描述
如果下面这样,会使得分类器更倾向于把奶牛和耗牛预测到一起,因为预测为海公牛惩罚更大,这样是不合理的。
在这里插入图片描述
损失函数:交叉熵损失(这个函数的由来是最小化负对数似然)
在这里插入图片描述
如果预测奶牛的概率是1,则log1=0,损失为0,这是我们想要的。也就是,正确概率越大,损失越小。推广到多个样本:
在这里插入图片描述
将模型公式代入损失函数,得到关于w,b的损失函数:
在这里插入图片描述
然后使用梯度下降法,梯度是:
在这里插入图片描述

手动实现

这个代码可以在vscode而不是jupyter notebook中运行。

import torch 
import torchvision
from torch.utils import data
from torchvision import transforms
import matplotlib.pyplot as plt
#加载fashion_mnist数据集
def load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=None):"""下载Fashion-MNIST数据集,然后将其加载到内存中"""trans = [transforms.ToTensor()]if resize:trans.insert(0, transforms.Resize(resize))trans = transforms.Compose(trans)mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(root="../data", train=True, transform=trans, download=True)mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST(root="../data", train=False, transform=trans, download=True)#print(len(mnist_train),len(mnist_test))return (data.DataLoader(mnist_train, batch_size, shuffle=True),data.DataLoader(mnist_test, batch_size, shuffle=False)) #windows下不能多进程,linux下可以#labels数字转为文字标签?
def get_fashion_mnist_labels(labels):text_labels=['t-shirt', 'trouser', 'pullover', 'dress', 'coat','sandal', 'shirt', 'sneaker', 'bag', 'ankle boot']return [text_labels[int(i)] for i in labels]
#展示数据集图片的函数
def show_images(imgs, num_rows, num_cols, titles=None, scale=1.5): """绘制图像列表"""figsize = (num_cols * scale, num_rows * scale)_, axes = plt.subplots(num_rows, num_cols, figsize=figsize)axes = axes.flatten()for i, (ax, img) in enumerate(zip(axes, imgs)):if torch.is_tensor(img):# 图⽚张量ax.imshow(img.numpy())else:# PIL图⽚ax.imshow(img)ax.axes.get_xaxis().set_visible(False)ax.axes.get_yaxis().set_visible(False)if titles:ax.set_title(titles[i])plt.show()return axes#展示数据集,没什么用
# trans = transforms.ToTensor()
# mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(root="../data", train=True, transform=trans, download=True)
# X, y = next(iter(data.DataLoader(mnist_train, batch_size=18)))
# show_images(X.reshape(18, 28, 28), 2, 9, titles=get_fashion_mnist_labels(y))#用于绘图,设置轴
def set_axes(axes, xlabel, ylabel, xlim, ylim, xscale, yscale, legend):"""设置matplotlib的轴"""axes.set_xlabel(xlabel)axes.set_ylabel(ylabel)axes.set_xscale(xscale)axes.set_yscale(yscale)axes.set_xlim(xlim)axes.set_ylim(ylim)if legend:axes.legend(legend)axes.grid()
#绘制学习的情况
class Animator: """在动画中绘制数据"""def __init__(self, xlabel=None, ylabel=None, legend=None, xlim=None,ylim=None, xscale='linear', yscale='linear',fmts=('-', 'm--', 'g-.', 'r:'), nrows=1, ncols=1,figsize=(3.5, 2.5)):# 增量地绘制多条线if legend is None:legend = []self.fig, self.axes = plt.subplots(nrows, ncols, figsize=figsize)if nrows * ncols == 1:self.axes = [self.axes, ]# 使⽤lambda函数捕获参数self.config_axes = lambda: set_axes(self.axes[0], xlabel, ylabel, xlim, ylim, xscale, yscale, legend)self.X, self.Y, self.fmts = None, None, fmtsdef add(self, x, y):# 向图表中添加多个数据点if not hasattr(y, "__len__"):y = [y]n = len(y)if not hasattr(x, "__len__"):x = [x] * nif not self.X:self.X = [[] for _ in range(n)]if not self.Y:self.Y = [[] for _ in range(n)]for i, (a, b) in enumerate(zip(x, y)):if a is not None and b is not None:self.X[i].append(a)self.Y[i].append(b)self.axes[0].cla()for x, y, fmt in zip(self.X, self.Y, self.fmts):self.axes[0].plot(x, y, fmt)self.config_axes()#display.display(self.fig)# 通过以下两行代码实现了在PyCharm中显示动图plt.draw()#plt.pause(interval=0.001)#display.clear_output(wait=True)#批大小
batch_size = 256
#训练和测试的迭代器
train_iter, test_iter = load_data_fashion_mnist(batch_size)# for X, y in train_iter:
#     print(X.shape, X.dtype, y.shape, y.dtype)
#     breaknum_inputs = 784
num_outputs = 10
#初始化权重和偏置
W = torch.normal(0, 0.01, size=(num_inputs, num_outputs), requires_grad=True)#784*10的权重矩阵
b = torch.zeros(num_outputs, requires_grad=True)# softmax操作
def softmax(X):X_exp = torch.exp(X)partition = X_exp.sum(1, keepdim=True)return X_exp / partition # 这⾥应⽤了⼴播机制#网络
def net(X):return softmax(torch.matmul(X.reshape((-1, W.shape[0])), W) + b)# 损失函数 交叉熵
def cross_entropy(y_hat, y):return - torch.log(y_hat[range(len(y_hat)), y])#精度计算函数
def accuracy(y_hat, y): """计算预测正确的数量"""if len(y_hat.shape) > 1 and y_hat.shape[1] > 1:y_hat = y_hat.argmax(axis=1)cmp = y_hat.type(y.dtype) == yreturn float(cmp.type(y.dtype).sum())class Accumulator: """在n个变量上累加"""def __init__(self, n):self.data = [0.0] * ndef add(self, *args):self.data = [a + float(b) for a, b in zip(self.data, args)]def reset(self):self.data = [0.0] * len(self.data)def __getitem__(self, idx):return self.data[idx]
#精度计算函数搭配accumulator使用
def evaluate_accuracy(net, data_iter):"""计算在指定数据集上模型的精度"""if isinstance(net, torch.nn.Module):net.eval() # 将模型设置为评估模式metric = Accumulator(2) # 正确预测数、预测总数with torch.no_grad():for X, y in data_iter:metric.add(accuracy(net(X), y), y.numel())return metric[0] / metric[1]
#训练单轮
def train_epoch_ch3(net, train_iter, loss, updater): """训练模型⼀个迭代周期(定义⻅第3章)"""# 将模型设置为训练模式if isinstance(net, torch.nn.Module):net.train()# 训练损失总和、训练准确度总和、样本数metric = Accumulator(3)for X, y in train_iter:# 计算梯度并更新参数y_hat = net(X)l = loss(y_hat, y)if isinstance(updater, torch.optim.Optimizer):# 使⽤PyTorch内置的优化器和损失函数updater.zero_grad() #清除梯度l.mean().backward() #反向传播updater.step()else:# 使⽤定制的优化器和损失函数l.sum().backward()updater(X.shape[0])metric.add(float(l.sum()), accuracy(y_hat, y), y.numel())# 返回训练损失和训练精度return metric[0] / metric[2], metric[1] / metric[2]
#训练
def train_ch3(net, train_iter, test_iter, loss, num_epochs, updater): #@save"""训练模型(定义⻅第3章)"""animator = Animator(xlabel='epoch', xlim=[1, num_epochs], ylim=[0.3, 0.9],legend=['train loss', 'train acc', 'test acc'])for epoch in range(num_epochs):train_metrics = train_epoch_ch3(net, train_iter, loss, updater)test_acc = evaluate_accuracy(net, test_iter)animator.add(epoch + 1, train_metrics + (test_acc,))train_loss, train_acc = train_metricsassert train_loss < 0.5, train_lossassert train_acc <= 1 and train_acc > 0.7, train_accassert test_acc <= 1 and test_acc > 0.7, test_acclr = 0.1
#优化算法 小批量随机梯度下降(Stochastic Gradient Descent)
def sgd(params,lr,batch_size):with torch.no_grad():for param in params:param-=lr*param.grad/batch_sizeparam.grad.zero_()#更新器使用sgd优化算法
def updater(batch_size):return sgd([W, b], lr, batch_size)num_epochs = 10
train_ch3(net, train_iter, test_iter, cross_entropy, num_epochs, updater)
plt.show()def predict_ch3(net, test_iter, n=6):"""预测标签(定义⻅第3章)"""for X, y in test_iter:breaktrues = get_fashion_mnist_labels(y)preds = get_fashion_mnist_labels(net(X).argmax(axis=1))titles = [true +'\n' + pred for true, pred in zip(trues, preds)]show_images(X[0:n].reshape((n, 28, 28)), 1, n, titles=titles[0:n])predict_ch3(net, test_iter)

课后题:

  1. softmax函数可能会导致什么问题?
    softmax运算可能造成溢出,因为分母要计算多个exp的值求和
  2. cross_entropy 是根据交叉熵损失函数的定义实现的。这个实现可能有什么问题?
    y^中若某行最大的值也接近0的话,loss的值也可能造成溢出,
  3. 什么解决方案来解决上述两个问题?
    nllloss和log_softmax一起使用。softmax之后的损失函数是交叉熵,这很合理。但是softmax有可能上溢,交叉熵也有可能溢出(-log0),所以可以用Log_softmax和负对数似然估计nll loss 配套使用。log_softmax就是对softmax取对数,nll就是直接取反,比交叉熵还方便。

结果:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

调库实现

import torch
from torch import nn
from torchvision import transforms
import torchvision
from torch.utils import data
import matplotlib.pyplot as plt#加载fashion_mnist数据集
def load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=None):"""下载Fashion-MNIST数据集,然后将其加载到内存中"""trans = [transforms.ToTensor()]if resize:trans.insert(0, transforms.Resize(resize))trans = transforms.Compose(trans)mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(root="../data", train=True, transform=trans, download=True)mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST(root="../data", train=False, transform=trans, download=True)#print(len(mnist_train),len(mnist_test))return (data.DataLoader(mnist_train, batch_size, shuffle=True),data.DataLoader(mnist_test, batch_size, shuffle=False)) #windows下不能多进程,linux下可以#批大小
batch_size = 256
#训练和测试的迭代器
train_iter, test_iter = load_data_fashion_mnist(batch_size)net=nn.Sequential(nn.Flatten(),nn.Linear(784,10))
#初始化模型参数
def init_weights(m):if type(m)==nn.Linear:nn.init.normal_(m.weight,std=0.01)
net.apply(init_weights)
loss=nn.CrossEntropyLoss(reduction='none')
trainer=torch.optim.SGD(net.parameters(),lr=0.1)def set_axes(axes, xlabel, ylabel, xlim, ylim, xscale, yscale, legend):"""设置matplotlib的轴"""axes.set_xlabel(xlabel)axes.set_ylabel(ylabel)axes.set_xscale(xscale)axes.set_yscale(yscale)axes.set_xlim(xlim)axes.set_ylim(ylim)if legend:axes.legend(legend)axes.grid()
class Animator: """在动画中绘制数据"""def __init__(self, xlabel=None, ylabel=None, legend=None, xlim=None,ylim=None, xscale='linear', yscale='linear',fmts=('-', 'm--', 'g-.', 'r:'), nrows=1, ncols=1,figsize=(3.5, 2.5)):# 增量地绘制多条线if legend is None:legend = []self.fig, self.axes = plt.subplots(nrows, ncols, figsize=figsize)if nrows * ncols == 1:self.axes = [self.axes, ]# 使⽤lambda函数捕获参数self.config_axes = lambda: set_axes(self.axes[0], xlabel, ylabel, xlim, ylim, xscale, yscale, legend)self.X, self.Y, self.fmts = None, None, fmtsdef add(self, x, y):# 向图表中添加多个数据点if not hasattr(y, "__len__"):y = [y]n = len(y)if not hasattr(x, "__len__"):x = [x] * nif not self.X:self.X = [[] for _ in range(n)]if not self.Y:self.Y = [[] for _ in range(n)]for i, (a, b) in enumerate(zip(x, y)):if a is not None and b is not None:self.X[i].append(a)self.Y[i].append(b)self.axes[0].cla()for x, y, fmt in zip(self.X, self.Y, self.fmts):self.axes[0].plot(x, y, fmt)self.config_axes()#display.display(self.fig)# 通过以下两行代码实现了在PyCharm中显示动图plt.draw()#plt.pause(interval=0.001)#display.clear_output(wait=True)
#精度计算函数
def accuracy(y_hat, y): """计算预测正确的数量"""if len(y_hat.shape) > 1 and y_hat.shape[1] > 1:y_hat = y_hat.argmax(axis=1)cmp = y_hat.type(y.dtype) == yreturn float(cmp.type(y.dtype).sum())
class Accumulator: """在n个变量上累加"""def __init__(self, n):self.data = [0.0] * ndef add(self, *args):self.data = [a + float(b) for a, b in zip(self.data, args)]def reset(self):self.data = [0.0] * len(self.data)def __getitem__(self, idx):return self.data[idx]
def evaluate_accuracy(net, data_iter):"""计算在指定数据集上模型的精度"""if isinstance(net, torch.nn.Module):net.eval() # 将模型设置为评估模式metric = Accumulator(2) # 正确预测数、预测总数with torch.no_grad():for X, y in data_iter:metric.add(accuracy(net(X), y), y.numel())return metric[0] / metric[1]
#训练单轮
def train_epoch_ch3(net, train_iter, loss, updater): """训练模型⼀个迭代周期(定义⻅第3章)"""# 将模型设置为训练模式if isinstance(net, torch.nn.Module):net.train()# 训练损失总和、训练准确度总和、样本数metric = Accumulator(3)for X, y in train_iter:# 计算梯度并更新参数y_hat = net(X)l = loss(y_hat, y)if isinstance(updater, torch.optim.Optimizer):# 使⽤PyTorch内置的优化器和损失函数updater.zero_grad() #清除梯度l.mean().backward() #反向传播updater.step()else:# 使⽤定制的优化器和损失函数l.sum().backward()updater(X.shape[0])metric.add(float(l.sum()), accuracy(y_hat, y), y.numel())# 返回训练损失和训练精度return metric[0] / metric[2], metric[1] / metric[2]
#训练
def train_ch3(net, train_iter, test_iter, loss, num_epochs, updater): #@save"""训练模型(定义⻅第3章)"""animator = Animator(xlabel='epoch', xlim=[1, num_epochs], ylim=[0.3, 0.9],legend=['train loss', 'train acc', 'test acc'])for epoch in range(num_epochs):train_metrics = train_epoch_ch3(net, train_iter, loss, updater)test_acc = evaluate_accuracy(net, test_iter)animator.add(epoch + 1, train_metrics + (test_acc,))train_loss, train_acc = train_metricsassert train_loss < 0.5, train_lossassert train_acc <= 1 and train_acc > 0.7, train_accassert test_acc <= 1 and test_acc > 0.7, test_accnum_epochs=10
train_ch3(net,train_iter,test_iter,loss,num_epochs,trainer)
plt.show()

在这里插入图片描述

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.rhkb.cn/news/39400.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系长河编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

架构师面试(十九):IM 架构

问题 IM 系统从架构模式上包括 【介绍人模式】和 【代理人模式】。介绍人模式也叫直连模式&#xff0c;消息收发不需要服务端的参与&#xff0c;即客户端之间直连的方式&#xff1b;代理人模式也叫中转模式&#xff0c;消息收发需要服务端进行中转。 下面关于这两类模式描述的…

WSL2增加memory问题

我装的是Ubuntu24-04版本&#xff0c;所有的WSL2子系统默认memory为主存的一半&#xff08;我的电脑是16GB&#xff0c;wsl是8GB&#xff09;&#xff0c;可以通过命令查看&#xff1a; free -h #查看ubuntu的memory和swap &#xff08;改过的11GB&#xff09; 前几天由于配置E…

OpenCV图像拼接(5)构建图像的拉普拉斯金字塔 (Laplacian Pyramid)

操作系统&#xff1a;ubuntu22.04 OpenCV版本&#xff1a;OpenCV4.9 IDE:Visual Studio Code 编程语言&#xff1a;C11 算法描述 cv::detail::createLaplacePyr 是 OpenCV 中的一个函数&#xff0c;用于构建图像的拉普拉斯金字塔 (Laplacian Pyramid)。拉普拉斯金字塔是一种多…

C++题目

1、内存管理 1.内存模型 栈:在执行函数时&#xff0c;函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建&#xff0c;函数执行结束时这些存储单元自动被释放。 堆&#xff1a;就是那些由new分配的内存块&#xff0c;其释放由程序员控制&#xff08;一个new对应一个delete&#xff09…

vscode终端不识别npm 无法解析npm

vscode 用以管理员打开识别npm vscode 用普通用户打开不识别npm 刚换了一台新电脑&#xff0c;寻思安装各种环境&#xff0c;一顿操作猛如虎&#xff0c;当最后一个打开vscode后&#xff0c;运行项目发现&#xff0c;新建终端>npm run dev 无法识别。 在cmd 中 打node -…

解决 Element UI 嵌套弹窗显示灰色的问题!!!

解决 Element UI 嵌套弹窗显示灰色的问题 &#x1f50d; 问题描述 ❌ 在使用 Element UI 开发 Vue 项目时&#xff0c;遇到了一个棘手的问题&#xff1a;当在一个弹窗(el-dialog)内部再次打开另一个弹窗时&#xff0c;第二个弹窗会显示为灰色&#xff0c;影响用户体验。 问题…

EasyUI数据表格中嵌入下拉框

效果 代码 $(function () {// 标记当前正在编辑的行var editorIndex -1;var data [{code: 1,name: 1,price: 1,status: 0},{code: 2,name: 2,price: 2,status: 1}]$(#dg).datagrid({data: data,onDblClickCell:function (index, field, value) {var dg $(this);if(field ! …

JAVA学习*Object类

Object类 Object类是所有类的父类 类中有一些方法&#xff08;都需要掌握&#xff09; toString()方法 在学习类的对象的时候有介绍过了&#xff0c;当我们重新给此方法就会打印类与对象的信息 equals()方法 在Java中的比较&#xff0c; 如果左右两侧是基本类型变量&#…

安装和部署Tomcat并在idea创建web文件

一、背景 实验任务为安装Tomcat并创建web文件 为提高安装效率并且通俗易懂&#xff0c;免得大量文字浪费时间&#xff0c;这里我们采用图片加文字的方式来给大家讲解这个安装教程。 二、安装过程 首先第一步一定要注意你是否下载了JDK&#xff0c;如果你是像我一样下载一个…

一站式电脑工具箱,功能全面且实用

小明工具箱是一款集成了系统设置、维护工具、实用工具、图像处理等四大类工具的电脑工具箱&#xff0c;涵盖了上百种实用工具&#xff0c;能够满足用户在文件管理、文本处理、系统优化、图像处理等多方面的需求。 初次使用&#xff0c;需双击软件&#xff0c;便会自动将工具解压…

NO.55十六届蓝桥杯备战|排序|插入|选择|冒泡|堆|快速|归并(C++)

插⼊排序 插⼊排序(Insertion Sort)类似于玩扑克牌插牌过程&#xff0c;每次将⼀个待排序的元素按照其关键字⼤⼩插⼊到前⾯已排好序的序列中&#xff0c;按照该种⽅式将所有元素全部插⼊完成即可 #include <iostream> using namespace std; const int N 1e5 10; …

OpenGL入门

一、环境搭建 ‌库依赖安装‌ 需要安装GLFW&#xff08;窗口管理&#xff09;和GLAD&#xff08;函数指针加载库&#xff09;。在Windows下推荐使用Visual Studio的vcpkg包管理工具进行安装&#xff0c;Linux下通过apt-get安装相关依赖‌。 ‌窗口初始化‌ 使用GLFW创建窗口并…

JVM(基础篇)

一.初识JVM 1.什么是JVM JVM全称Java Virtyal Machine&#xff0c;中文译名 Java虚拟机 。JVM本质上是一个运行在计算机上的程序&#xff0c;他的职责是运行Java字节码文件(将字节码解释成机器码)。 2.JVM的功能 解释和运行&#xff1a;对字节码文件中的指令号&#xff0c;实时…

VMware安装ubuntu22.04.5 server

下载Ubuntu镜像 https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu-releases/22.04.5/ 安装系统 打开vmware 点击创建新的虚拟机 选择自定义 点击下一步 选择稍后安装操作系统&#xff0c;点击下一步 选择Linux系统&#xff0c;选择ubuntu64&#xff0c;点击下一步 选择安装位置&…

Docker容器之Dockerfile

用来构建镜像的文件。是指就是命令&#xff0c;参数&#xff0c;脚本。 指令合集以及说明 构建镜像图解: 实战测试&#xff1a; 构建自己的ubuntu&#xff1a; FROM ubuntu MAINTAINER liux ENV MYPATH /usr/local WORKDIR $MYPATH RUN apt-get update RUN apt install net-…

STM32G030移植RT-Thread

移植流程 移植前需要安装Keil.STM32G0xx_DFP.1.2.0.pack组件&#xff0c;大致的移植过程&#xff1a; CubeMX配置RT-Thread组件配置工程模板配置 参考例程配置&#xff1a;拷贝仓库原有的stm32g070-st-nucleo工程&#xff0c;然后另起一个名字&#xff0c;目录结构如下 完整…

【网络】网关

【网络】网关 网关 是计算机网络中用于连接两个不同网络的设备或服务器&#xff0c;它充当着“翻译器”和“转发器”的角色&#xff0c;将数据包从一个网络传递到另一个网络&#xff0c;并在必要时进行协议转换和数据重包装。 主要功能 数据转发&#xff1a;当本地网络设备发…

用JS+Promise实现简单消息队列

一、什么是消息队列 消息队列是一种用于在软件系统之间传递消息的技术。它常被用于解耦不同组件或模块之间的通信&#xff0c;减少系统中各个部分之间的直接依赖关系。消息队列可以实现异步通信&#xff0c;发送方将消息发送到队列中&#xff0c;接收方从队列中获取消息并进行处…

【Python爬虫】使用python脚本拉取汽车网站品牌数据

示例代码说明&#xff1a; 在汽车之家网站拉取当月排行榜中汽车品牌、销量和价格信息&#xff0c;存为csv文档输出&#xff0c;使用正则表达式获取网页内容 import re import pandas as pd import requests# 汽车之家车型列表页URL url https://cars.app.autohome.com.cn/ca…

批量修改 PPT 文档中主题、编辑时长、来源等元数据信息

每一个 PPT 文档被创建之后&#xff0c;都会包含一些元数据信息。这些元数据信息记录着文件的作者、创建时间、修改时间、打印时间等信息。这些信息默认都是自动生成的&#xff0c;如果我们想要对这些元数据进行修改&#xff0c;当然也是可以的。今天就给大家介绍一下如何批量修…