机器学习基石笔记:Homework #1 PLA&PA相关习题
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问题描述


程序实现
# coding: utf-8
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import time
def read_data(dataFile):
with open(dataFile, 'r') as file:
data_list = []
for line in file.readlines():
line = line.strip().split()
# add x0=1.0
data_list.append([1.0] + [float(l) for l in line])
num_data = len(data_list)
data_array = np.array(data_list)
return (num_data,data_array)
def sign(n):
if(n>0):
return 1
else:
return -1
# define PLA class
class PLA(object):
def __init__(self,num_data,data_array,training_epochs=2000,ita=1.0,qID=15):
self.num_data=num_data
self.data_array=data_array
self.training_epochs=training_epochs
self.ita=ita
self.qID=qID
def train(self,w=np.zeros([5])):
self.update_counts_list=[]
self.last_error_id_list=[]
for k in range(self.training_epochs):
if self.training_epochs==1:
id_array=np.array([m for m in range(self.num_data)])
else:
np.random.seed(k)
id_array = np.random.permutation([m for m in range(self.num_data)])
update_counts = 0
total_counts = 0
self.w=np.array(w)
id = 0
error_point_id = -1
while (total_counts <= self.num_data):
g = 0
g += np.dot(self.w, self.data_array[id_array[id]][:5])
if sign(g) == self.data_array[id_array[id]][5]:
total_counts += 1
else:
self.w += self.ita*self.data_array[id_array[id]][5] * self.data_array[id_array[id]][:5]
error_point_id = id_array[id]
update_counts += 1
total_counts = 0
id += 1
id = id % self.num_data
self.update_counts_list.append(update_counts)
self.last_error_id_list.append(error_point_id)
return
def show_results(self):
print("\n",self.qID,"...")
print("training:")
if self.training_epochs==1:
print("the number of updates: ", self.update_counts_list[0])
print("the final error point id: ", self.last_error_id_list[0])
print("-----------------------")
return
else:
print("the list of update counts: ",self.update_counts_list)
print("the list of last error point id: ",self.last_error_id_list)
print("the average number of updates:", sum(self.update_counts_list) / self.training_epochs)
print("-----------------------")
plt.figure()
plt.hist(self.update_counts_list)
plt.xlabel("the number of updates")
plt.ylabel("frequency")
plt.title(self.qID)
plt.savefig("%s_train.png"%self.qID)
return
def total_error_counts(w,data_array,num_data):
total_error_counts=0
for i in range(num_data):
if sign(np.dot(w, data_array[i][:5])) != data_array[i][5]:
total_error_counts+=1
return total_error_counts
# define PA class
class PA(PLA):
def __init__(self,num_data,data_array,num_test,test_array,
training_epochs=2000,given_updates=50,ita=1.0,pla_flag=False,qID=18):
PLA.__init__(self,num_data,data_array,training_epochs,ita,qID)
self.num_test=num_test
self.test_array=test_array
self.given_updates=given_updates
self.pla_flag=pla_flag
def train_and_test(self,w=np.zeros([5])):
self.last_error_id_list=[]
self.test_error_rate_list=[]
for k in range(self.training_epochs):
# train
if self.training_epochs==1:
id_array=np.array([m for m in range(self.num_data)])
else:
np.random.seed(k)
id_array = np.random.permutation([m for m in range(self.num_data)])
update_counts = 0
id = 0
self.pocket_w = np.array(w) # create a copy of w and give it to self.w
w=np.array(w)
error_point_id = -1
while (update_counts <= self.given_updates):
g = 0
g += np.dot(w, self.data_array[id_array[id]][:5])
if sign(g) != self.data_array[id_array[id]][5]:
w += self.ita*self.data_array[id_array[id]][5] * self.data_array[id_array[id]][:5]
if(self.pla_flag or (total_error_counts(w,self.data_array,self.num_data)<total_error_counts(self.pocket_w,self.data_array,self.num_data))):
self.pocket_w=np.array(w)
error_point_id = id_array[id]
update_counts += 1
id += 1
id = id % self.num_data
self.last_error_id_list.append(error_point_id)
# test
self.test_error_rate_list.append(total_error_counts(self.pocket_w, self.test_array, self.num_test)
/ self.num_test)
return
def show_results(self):
print("\n",self.qID,"...")
print("training:")
if self.training_epochs==1:
print("the final error point id: ", self.last_error_id_list[0])
else:
print("the list of last error point id: ",self.last_error_id_list)
print("testing:")
print("the average error rate on test set: ",np.sum(self.test_error_rate_list)/self.training_epochs)
print("-----------------------")
plt.figure()
plt.hist(self.test_error_rate_list)
plt.xlabel("error rate")
plt.ylabel("frequency")
plt.title(self.qID)
plt.savefig("%s_test.png"%self.qID)
return
if __name__=="__main__":
num_data,data_array=read_data("hw1_15_train.dat")
# 15
pla_15=PLA(num_data,data_array,training_epochs=1,qID=15)
pla_15.train()
pla_15.show_results()
# 16
pla_16=PLA(num_data,data_array,qID=16)
pla_16.train()
pla_16.show_results()
# 17
pla_17=PLA(num_data,data_array,ita=0.5,qID=17)
pla_17.train()
pla_17.show_results()
# 16 else 1
pla_16_1=PLA(num_data,data_array,qID=161)
pla_16_1.train(w=np.array([1.0,0,0,0,0]))
pla_16_1.show_results()
# 17 else 1
pla_17_1=PLA(num_data,data_array,ita=0.5,qID=171)
pla_17_1.train(w=np.array([1.0,0,0,0,0]))
pla_17_1.show_results()
num_data,data_array=read_data("hw1_18_train.dat")
num_test,test_array=read_data("hw1_18_test.dat")
# 18
pa_18=PA(num_data,data_array,num_test,test_array,qID=18)
start = time.time()
pa_18.train_and_test()
end=time.time()
print("total time for train and test of 18: ",end-start," s")
pa_18.show_results()
# 19
pa_19=PA(num_data,data_array,num_test,test_array,pla_flag=True,qID=19)
start=time.time()
pa_19.train_and_test()
end=time.time()
print("total time for train and test of 19: ",end-start," s")
pa_19.show_results()
# 20
pa_20=PA(num_data,data_array,num_test,test_array,given_updates=100,qID=20)
pa_20.train_and_test()
pa_20.show_results()
# 18 else 1
pa_18_1=PA(num_data,data_array,num_test,test_array,qID=181)
pa_18_1.train_and_test(w=np.array([1.0,0,0,0,0]))
pa_18_1.show_results()
# 20 else 1
pa_20_1=PA(num_data,data_array,num_test,test_array,given_updates=100,qID=201)
pa_20_1.train_and_test(w=np.array([1.0,0,0,0,0]))
pa_20_1.show_results()
运行结果及分析
15

16


17


对比16与17的结果:
16中步长1.0,17中步长0.5,看似步长对更新次数无影响?
16.1


17.1


对比16.1与17.1的结果:
16.1中步长1.0,17.1中步长0.5,可见步长对更新次数有影响;
再看16 vs 16.1、17 vs 17.1,前者\(W\)初始值[0,0,0,0,0],后者\(W\)初始值[1,0,0,0,0],可见\(W\)初始值对更新次数有影响。
18


19


对比18与19的结果:
可见PA(18)速度明显慢于PLA(19);但在数据线性不可分的情况下,PA表现比PLA好。
20


18.1


20.1


分别对比18与20、18.1与20.1、18与18.1、20与20.1的结果:
结论与PLA处类似,
W初始值、更新步长对分类器表现有影响。
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