我们在《Python中的随机采样和概率分布(二)》介绍了如何用Python现有的库对一个概率分布进行采样,其中的dirichlet分布大家一定不会感到陌生。该分布的概率密度函数为

\[P(\bm{x}; \bm{\alpha}) \propto \prod_{i=1}^{k} x_{i}^{\alpha_{i}-1} \\
\bm{x}=(x_1,x_2,...,x_k),\quad x_i > 0 , \quad \sum_{i=1}^k x_i = 1\\
\bm{\alpha} = (\alpha_1,\alpha_2,..., \alpha_k). \quad \alpha_i > 0
\]

其中\(\bm{\alpha}\)为参数。

我们在联邦学习中,经常会假设不同client间的数据集不满足独立同分布(non-iid)。那么我们如何将一个现有的数据集按照non-iid划分呢?我们知道带标签样本的生成分布看可以表示为\(p(\bm{x}, y)\),我们进一步将其写作\(p(\bm{x}, y)=p(\bm{x}|y)p(y)\)。其中如果要估计\(p(\bm{x}|y)\)的计算开销非常大,但估计\(p(y)\)的计算开销就很小。所有我们按照样本的标签分布来对样本进行non-iid划分是一个非常高效、简便的做法。

总而言之,我们采取的算法思路是尽量让每个client上的样本标签分布不同。我们设有\(K\)个类别标签,\(N\)个client,每个类别标签的样本需要按照不同的比例划分在不同的client上。我们设矩阵\(\bm{X}\in \mathbb{R}^{K*N}\)为类别标签分布矩阵,其行向量\(\bm{x}_k\in \mathbb{R}^N\)表示类别\(k\)在不同client上的概率分布向量(每一维表示\(k\)类别的样本划分到不同client上的比例),该随机向量就采样自dirichlet分布。

据此,我们可以写出以下的划分算法:

import numpy as np
np.random.seed(42)
def split_noniid(train_labels, alpha, n_clients):
'''
参数为alpha的dirichlet分布将数据索引划分为n_clients个子集
'''
n_classes = train_labels.max()+1
label_distribution = np.random.dirichlet([alpha]*n_clients, n_classes)
# (K, N)的类别标签分布矩阵X,记录每个client占有每个类别的多少 class_idcs = [np.argwhere(train_labels==y).flatten()
for y in range(n_classes)]
# 记录每个K个类别对应的样本下标 client_idcs = [[] for _ in range(n_clients)]
# 记录N个client分别对应样本集合的索引
for c, fracs in zip(class_idcs, label_distribution):
# np.split按照比例将类别为k的样本划分为了N个子集
# for i, idcs 为遍历第i个client对应样本集合的索引
for i, idcs in enumerate(np.split(c, (np.cumsum(fracs)[:-1]*len(c)).astype(int))):
client_idcs[i] += [idcs] client_idcs = [np.concatenate(idcs) for idcs in client_idcs] return client_idcs

加下来我们在EMNIST数据集上调用该函数进行测试,并进行可视化呈现。我们设client数量\(N=10\),dirichlet概率分布的参数向量\(\bm{\alpha}\)满足\(\alpha_i=1.0,\space i=1,2,...N\):

import torch
from torchvision import datasets
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt torch.manual_seed(42) if __name__ == "__main__": N_CLIENTS = 10
DIRICHLET_ALPHA = 1.0 train_data = datasets.EMNIST(root=".", split="byclass", download=True, train=True)
test_data = datasets.EMNIST(root=".", split="byclass", download=True, train=False)
n_channels = 1 input_sz, num_cls = train_data.data[0].shape[0], len(train_data.classes) train_labels = np.array(train_data.targets) # 我们让每个client不同label的样本数量不同,以此做到non-iid划分
client_idcs = split_noniid(train_labels, alpha=DIRICHLET_ALPHA, n_clients=N_CLIENTS) # 展示不同client的不同label的数据分布
plt.figure(figsize=(20,3))
plt.hist([train_labels[idc]for idc in client_idcs], stacked=True,
bins=np.arange(min(train_labels)-0.5, max(train_labels) + 1.5, 1),
label=["Client {}".format(i) for i in range(N_CLIENTS)], rwidth=0.5)
plt.xticks(np.arange(num_cls), train_data.classes)
plt.legend()
plt.show()

最终的可视化结果如下:



可以看到,62个类别标签在不同client上的分布确实不同,证明我们的样本划分算法是有效的。

联邦学习:按Dirichlet分布划分Non-IID样本的更多相关文章

  1. 联邦学习:按混合分布划分Non-IID样本

    我们在博文<联邦学习:按病态独立同分布划分Non-IID样本>中学习了联邦学习开山论文[1]中按照病态独立同分布(Pathological Non-IID)划分样本. 在上一篇博文< ...

  2. LDA学习之beta分布和Dirichlet分布

    ---恢复内容开始--- 今天学习LDA主题模型,看到Beta分布和Dirichlet分布一脸的茫然,这俩玩意怎么来的,再网上查阅了很多资料,当做读书笔记记下来: 先来几个名词: 共轭先验: 在贝叶斯 ...

  3. Apache Pulsar 在腾讯 Angel PowerFL 联邦学习平台上的实践

    腾讯 Angel PowerFL 联邦学习平台 联邦学习作为新一代人工智能基础技术,通过解决数据隐私与数据孤岛问题,重塑金融.医疗.城市安防等领域. 腾讯 Angel PowerFL 联邦学习平台构建 ...

  4. 【一周聚焦】 联邦学习 arxiv 2.16-3.10

    这是一个新开的每周六定期更新栏目,将本周arxiv上新出的联邦学习等感兴趣方向的文章进行总结.与之前精读文章不同,本栏目只会简要总结其研究内容.解决方法与效果.这篇作为栏目首发,可能不止本周内容(毕竟 ...

  5. 关于Beta分布、二项分布与Dirichlet分布、多项分布的关系

    在机器学习领域中,概率模型是一个常用的利器.用它来对问题进行建模,有几点好处:1)当给定参数分布的假设空间后,可以通过很严格的数学推导,得到模型的似然分布,这样模型可以有很好的概率解释:2)可以利用现 ...

  6. 【论文考古】联邦学习开山之作 Communication-Efficient Learning of Deep Networks from Decentralized Data

    B. McMahan, E. Moore, D. Ramage, S. Hampson, and B. A. y Arcas, "Communication-Efficient Learni ...

  7. Beta分布和Dirichlet分布

    在<Gamma函数是如何被发现的?>里证明了\begin{align*} B(m, n) = \int_0^1 x^{m-1} (1-x)^{n-1} \text{d} x = \frac ...

  8. LDA-math-认识Beta/Dirichlet分布

    http://cos.name/2013/01/lda-math-beta-dirichlet/#more-6953 2. 认识Beta/Dirichlet分布2.1 魔鬼的游戏—认识Beta 分布 ...

  9. 机器学习的数学基础(1)--Dirichlet分布

    机器学习的数学基础(1)--Dirichlet分布 这一系列(机器学习的数学基础)主要包括目前学习过程中回过头复习的基础数学知识的总结. 基础知识:conjugate priors共轭先验 共轭先验是 ...

随机推荐

  1. MongoDB_文档存储结构(三)

    MongoDB 文档数据库的存储结构分为四个层次,从大到小依次是:数据库(database).集合(collection).文档(document).键值对. 图 1 描述了 MongoDB 与 My ...

  2. Selenium_POM架构(17)

    POM是Page Object Model的简称,它是一种设计思想,意思是,把每一个页面,当做一个对象,页面的元素和元素之间操作方法就是页面对象的属性和行为. POM一般使用三层架构,分别为:基础封装 ...

  3. Hive分析统计离线日志信息

    关注公众号:分享电脑学习回复"百度云盘" 可以免费获取所有学习文档的代码(不定期更新)云盘目录说明:tools目录是安装包res 目录是每一个课件对应的代码和资源等doc 目录是一 ...

  4. 通过js触发onPageView和event事件获取页面信息

    注:图片如果损坏,点击文章链接:https://www.toutiao.com/i6814814715022148100/ 承接上一篇文档<js页面触发launch事件编写> pageVi ...

  5. 获取js代码运行的时间

    console.time('yue') //代码部分 console.timeEnd('yue')

  6. SYCOJ1717负二进制

    题目-负二进制 (shiyancang.cn) 进制的实质在于对于进制数的选择,选择不满足的填入当前的位置,然后除掉,继续开始选择.但是对于本题,是负数,但是进制上的数字为正数,所以就要调整,借位,因 ...

  7. golang中的标准库log

    Go语言内置的log包实现了简单的日志服务.本文介绍了标准库log的基本使用. 使用Logger log包定义了Logger类型,该类型提供了一些格式化输出的方法.本包也提供了一个预定义的" ...

  8. vue中清除路由缓存

    beforeRouteLeave (to, from, next) { if (to.name === 'pageA') { /* pageA是需要跳转的路由 */ // console.log('返 ...

  9. python采用json.dump和json.load存储数据

    #!/usr/bin/python # -*- coding: UTF-8 -*- import json numbers = [2,3,4,7,11,13] filename = 'numbers. ...

  10. python26day

    内容回顾 多态: ​ 一个类表现出的多种形态,实际上是通过继承来完成的 今日内容 super,调用父类的同名方法 按照mro顺序来寻找当前类的下一个类 封装 广义上的封装 方法属性名字前加了__,就变 ...