Градієнт втрати петлі


25

Я намагаюся реалізувати базовий градієнт спуску і тестую його за допомогою функції втрати шарніра, тобто . Однак я плутаю градієнт втрат шарніра. Я під враженням, що це такlhinge=max(0,1−y x⋅w)

∂∂wlhinge={−y xif y x⋅w<10if y x⋅w≥1

Але чи не повертає це матриця такого ж розміру, як ? Я думав, ми шукаємо повернути вектор довжини \ boldsymbol {w} ? Ясна річ, я десь щось заплутав. Може хтось тут вказує в правильному напрямку?шxw

Я включив базовий код на випадок, якщо мій опис завдання не був зрозумілим

#Run standard gradient descent
gradient_descent<-function(fw, dfw, n, lr=0.01)
{
    #Date to be used
    x<-t(matrix(c(1,3,6,1,4,2,1,5,4,1,6,1), nrow=3))
    y<-c(1,1,-1,-1)
    w<-matrix(0, nrow=ncol(x))

    print(sprintf("loss: %f,x.w: %s",sum(fw(w,x,y)),paste(x%*%w, collapse=',')))
    #update the weights 'n' times
    for (i in 1:n)
    {
      w<-w-lr*dfw(w,x,y)
      print(sprintf("loss: %f,x.w: %s",sum(fw(w,x,y)),paste(x%*%w,collapse=',')))
    }
}
#Hinge loss
hinge<-function(w,x,y) max(1-y%*%x%*%w, 0)
d_hinge<-function(w,x,y){ dw<-t(-y%*%x); dw[y%*%x%*%w>=1]<-0; dw}
gradient_descent(hinge, d_hinge, 100, lr=0.01)

Оновлення: Хоча відповідь нижче допомогла мені зрозуміти проблему, вихід даного алгоритму все ще невірний для даних даних. Функція втрат щоразу зменшується на 0,25, але сходить занадто швидко, і отримані ваги не призводять до хорошої класифікації. В даний час результат виглядає так

#y=1,1,-1,-1
"loss: 1.000000, x.w: 0,0,0,0"
"loss: 0.750000, x.w: 0.06,-0.1,-0.08,-0.21"
"loss: 0.500000, x.w: 0.12,-0.2,-0.16,-0.42"
"loss: 0.250000, x.w: 0.18,-0.3,-0.24,-0.63"
"loss: 0.000000, x.w: 0.24,-0.4,-0.32,-0.84"
"loss: 0.000000, x.w: 0.24,-0.4,-0.32,-0.84"
"loss: 0.000000, x.w: 0.24,-0.4,-0.32,-0.84"
...  

Градієнт є вектором, оскільки функція втрати має реальні значення.
— Вок

3
Ваша функція не є диференційованою скрізь.
— Робін Жирард

2
Оскільки відмічає Робін, втрата шарніру не диференціюється при x = 1. Це просто означає, що вам потрібно використовувати алгоритм спуску під градієнтом
— Алекс Креймер

Відповіді:


27

Для отримання градієнта диференціюємо втрати по відношенню до го компонента .шiw

Перепишіть втрати шарніра у вигляді як де іf ( g ( w ) ) f ( z ) = max ( 0 , 1 - y z ) g ( w ) = x ⋅ wwf(g(w))f(z)=max(0,1−y z)g(w)=x⋅w

Використовуючи правило ланцюга, ми отримуємо

∂∂wif(g(w))=∂f∂z∂g∂wi

Перший похідний доданок оцінюється при стає коли , і 0, коли . Другий похідний член стає . Отже, зрештою, ви отримуєте g(w)=x⋅w−yx⋅w<1x⋅w>1xi

∂f(g(w))∂wi={−y xiif y x⋅w<10if y x⋅w>1

Оскільки розміщується на компонентах , ви можете розглядати вищезазначене як величину вектора, а записати як скорочення дляix∂∂w(∂∂w1,∂∂w2,…)


Спасибі! Це очищує речі для мене. Тепер я просто повинен це правильно зрозуміти в практичній обстановці. Вам не трапилося б уявити, чому вищезгаданий код не працює? Здається, це сходиться за 4 ітерації, коли втрати починаються з 1 і опускаються 0,25 кожного разу і збігаються на 0. Однак ваги, які він створює, здаються зовсім неправильними.
— брч

1
Ви можете перевірити, які прогнози дають ваші дані про навчання. Якщо втрата знизиться до нуля, всі інстанції мають бути класифіковані ідеально
— Ярослав Булатов

Це стосується бінарної класифікації. Чи можете ви, будь ласка, дати виведення для градієнта багатокласової класифікації за допомогою втрати шарніра?
— Шямкхадка

12

Це запізнення на 3 роки, але все ще може бути актуальним для когось ...

Нехай позначає зразок точок x i ∈ R d та набір відповідних міток y i ∈ { - 1 , 1 } . Ми шукаємо знайти гіперплан w, який би мінімізував загальну втрату шарніру: w ∗ = argmin  w L h i n g e S ( w ) = argmin  w ∑ i l h i n g e ( w ,Sxi∈Rdyi∈{−1,1}w Щоб знайти w ∗, отримаємо  похідну від загальної втрати шарніру. Градієнт кожного компонента: ∂ l h i n g e

w∗=argmin wLShinge(w)=argmin w∑ilhinge(w,xi,yi)=argmin w∑imax{0,1−yiw⋅x}
w∗
∂lhinge∂w={0yiw⋅x≥1−yixyiw⋅x<1

∂LShinge∂w=∑i∂lhinge∂ш
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def hinge_loss(w,x,y):
    """ evaluates hinge loss and its gradient at w

    rows of x are data points
    y is a vector of labels
    """
    loss,grad = 0,0
    for (x_,y_) in zip(x,y):
        v = y_*np.dot(w,x_)
        loss += max(0,1-v)
        grad += 0 if v > 1 else -y_*x_
    return (loss,grad)

def grad_descent(x,y,w,step,thresh=0.001):
    grad = np.inf
    ws = np.zeros((2,0))
    ws = np.hstack((ws,w.reshape(2,1)))
    step_num = 1
    delta = np.inf
    loss0 = np.inf
    while np.abs(delta)>thresh:
        loss,grad = hinge_loss(w,x,y)
        delta = loss0-loss
        loss0 = loss
        grad_dir = grad/np.linalg.norm(grad)
        w = w-step*grad_dir/step_num
        ws = np.hstack((ws,w.reshape((2,1))))
        step_num += 1
    return np.sum(ws,1)/np.size(ws,1)

def test1():
    # sample data points
    x1 = np.array((0,1,3,4,1))
    x2 = np.array((1,2,0,1,1))
    x  = np.vstack((x1,x2)).T
    # sample labels
    y = np.array((1,1,-1,-1,-1))
    w = grad_descent(x,y,np.array((0,0)),0.1)
    loss, grad = hinge_loss(w,x,y)
    plot_test(x,y,w)

def plot_test(x,y,w):
    plt.figure()
    x1, x2 = x[:,0], x[:,1]
    x1_min, x1_max = np.min(x1)*.7, np.max(x1)*1.3
    x2_min, x2_max = np.min(x2)*.7, np.max(x2)*1.3
    gridpoints = 2000
    x1s = np.linspace(x1_min, x1_max, gridpoints)
    x2s = np.linspace(x2_min, x2_max, gridpoints)
    gridx1, gridx2 = np.meshgrid(x1s,x2s)
    grid_pts = np.c_[gridx1.ravel(), gridx2.ravel()]
    predictions = np.array([np.sign(np.dot(w,x_)) for x_ in grid_pts]).reshape((gridpoints,gridpoints))
    plt.contourf(gridx1, gridx2, predictions, cmap=plt.cm.Paired)
    plt.scatter(x[:, 0], x[:, 1], c=y, cmap=plt.cm.Paired)
    plt.title('total hinge loss: %g' % hinge_loss(w,x,y)[0])
    plt.show()

if __name__ == '__main__':
    np.set_printoptions(precision=3)
    test1()

I це стосується двійкової класифікації. Чи можете ви, будь ласка, дати виведення для градієнта багатокласової класифікації за допомогою втрати шарніра?
— Шямкхадка

1

Я виправив ваш код. Основна проблема - це ваше визначення функції шарнірів і d_hinge. Їх слід застосовувати по одному зразку. Натомість ваше визначення агрегує всі зразки, перш ніж брати максимум.

#Run standard gradient descent
gradient_descent<-function(fw, dfw, n, lr=0.01)
{
    #Date to be used
    x<-t(matrix(c(1,3,6,1,4,2,1,5,4,1,6,1), nrow=3))
    y<-t(t(c(1,1,-1,-1)))
    w<-matrix(0, nrow=ncol(x))


    print(sprintf("loss: %f,x.w: %s",sum(mapply(function(xr,yr) fw(w,xr,yr), split(x,row(x)),split(y,row(y)))),paste(x%*%w, collapse=',')))
    #update the weights 'n' times
    for (i in 1:n)
    {
      w<-w-lr*dfw(w,x,y)
      print(sprintf("loss: %f,x.w: %s",sum(mapply(function(xr,yr) fw(w,xr,yr), split(x,row(x)),split(y,row(y)))),paste(x%*%w,collapse=',')))
    }
}

#Hinge loss
hinge<-function(w,xr,yr) max(1-yr*xr%*%w, 0)
d_hinge<-function(w,x,y){ dw<- apply(mapply(function(xr,yr) -yr * xr * (yr * xr %*% w < 1),split(x,row(x)),split(y,row(y))),1,sum); dw}
gradient_descent(hinge, d_hinge, 100, lr=0.01)

Мені потрібно n = 10000, щоб сходитися.

[1] "збиток: 0.090000, xw: 1.08999999999995,0.909999999999905, -1.19000000000008, -1.69000000000011" [1] "збиток: 0.100000, xw: 1.33999999999995,1.1199999999999, -0.900000000000075, -1.42000000000011" [1 ]000000000011 збиток "[1 ]00000000000011", 1 "0000000000011 ", 1 "000000000011" 0,21 0.939999999999948,0.829999999999905, -1,32000000000007, -1,77000000000011 "[1]" втрати: 0,370000, XW: 1.64999999999995,1.2899999999999, -0,630000000000075, -1,25000000000011 "[1]" втрати: 0.000000, XW: 1.24999999999995,0.999999999999905, -1,05000000000008, -1,60000000000011 " [1] "втрата: 0,240000, XW: 1.49999999999995,1.2099999999999, -0,760000000000075, -1,33000000000011" [1] "втрата: 0,080000, XW: 1.09999999999995,0.919999999999905, -1,18000000000007, -1,68000000000011" [1] «втрата: 0,110000, XW: 1.34999999999995,1.1299999999999, -0.890000000000075, -1.41000000000011 "[1] "збиток: 0,210000, xw: 0,949999999999948,0,839999999999905, -1,31000000000007, -1,76000000000011" [1] "збиток: 0,380000, xw: 1,65999999999995,1,2999999999999, -0,620000000000074, -1,240000 x0000 втрата" [0,00 ]000000000011 "[0,00 ]000000000011" [0,00 ]000000000011 "[0,00 ]000000000011" [0,00 ]000000000011 "[0,00 ]000000000011" [0,00 ]000000000011 "[0,00 ]000000000011" [0,00] "втрата: 0,210000, xw: 0,949999999999948,0,839999999999905, -1,31000000000007, -1,76000000000011" [1] " 1.25999999999995,1.0099999999999, -1.04000000000008, -1.59000000000011 "[1]" втрата: 0,000000, xw: 1,25999999999995,1,0099999999999, -1,04000000000008, -1,59000000000011 "


3
Народ, спуск градієнта - це якраз алгоритм оптимізації НАЙБІЛЬшого оптимізації, який слід використовувати лише тоді, коли вибору немає. Алгоритм Квазі-Ньютона, який довіряє регіону чи лінії пошуку, використовуючи значення об'єктивних функцій та градієнт, вибухне градієнтом із води та набагато надійніше сходиться. І не пишіть власну розв'язувальну машину, якщо ви не знаєте, чим займаєтесь, що мало хто робить.
— Марк Л. Стоун

2
Я погодився б з обома твердженнями. Однак спуск градієнта з різними ароматами набагато простіше здійснити в розподіленому середовищі, принаймні відповідно до наявних бібліотек з відкритим кодом.
— Джон Цзян
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.