机器学习算法模型系列——Adam算法
Adam是一种自适应学习率的优化算法，结合了动量和自适应学习率的特性。
主要思想是根据参数的梯度来动态调整每个参数的学习率。
核心原理包括：
-
动量（Momentum）：Adam算法引入了动量项，以平滑梯度更新的方向。这有助于加速收敛并减少震荡。
-
自适应学习率：Adam算法计算每个参数的自适应学习率，允许不同参数具有不同的学习速度。
-
偏差修正（Bias Correction）：Adam算法在初期迭代中可能受到偏差的影响，因此它使用偏差修正来纠正这个问题。
Adam相关公式
初始化：
-
参数：
-
学习率：
-
梯度估计的移动平均（一阶矩）：
-
梯度平方的移动平均（二阶矩）：
-
时间步数：
每个迭代步骤：
-
计算梯度：
-
更新一阶矩：
-
更新二阶矩：
-
修正偏差（Bias Correction）：
和
-
更新参数：
，其中
是一个小的常数，以防分母为零。
项目：基于Adam优化算法的神经网络训练
在这个项目中，我们将使用Adam优化算法来训练一个简单的神经网络，以解决二分类问题。我们将深入讨论Adam算法的原理和公式，并展示如何在Python中实施它。最后，我们将绘制学习曲线，以可视化模型的训练进展。
项目：基于Adam优化算法的神经网络训练
在这个项目中，我们将使用Adam优化算法来训练一个简单的神经网络，以解决二分类问题。我们将深入讨论Adam算法的原理和公式，并展示如何在Python中实施它。最后，我们将绘制学习曲线，以可视化模型的训练进展。
模型训练
使用Python代码实现Adam算法来训练一个二分类的神经网络。
使用Python中的NumPy库来进行计算，并使用一个合成的数据集来演示。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 定义模型和数据
np.random.seed(42)
X = np.random.rand(100, 2) # 特征数据
y = (X[:, 0] + X[:, 1] > 1).astype(int) # 二分类标签
# 定义神经网络模型
def sigmoid(x):
return 1 / (1 + np.exp(-x))
def predict(X, weights):
return sigmoid(np.dot(X, weights))
# 初始化参数和超参数
theta = np.random.rand(2) # 参数初始化
alpha = 0.1 # 学习率
beta1 = 0.9 # 一阶矩衰减因子
beta2 = 0.999 # 二阶矩衰减因子
epsilon = 1e-8 # 用于防止分母为零
# 初始化Adam算法所需的中间变量
m = np.zeros(2)
v = np.zeros(2)
t = 0
# 训练模型
num_epochs = 100
for epoch in range(num_epochs):
for i in range(len(X)):
t += 1
gradient = (predict(X[i], theta) - y[i]) * X[i]
m = beta1 * m + (1 - beta1) * gradient
v = beta2 * v + (1 - beta2) * gradient**2
m_hat = m / (1 - beta1**t)
v_hat = v / (1 - beta2**t)
theta -= alpha * m_hat / (np.sqrt(v_hat) + epsilon)
# 输出训练后的参数
print("训练完成后的参数：", theta)
# 定义损失函数
def loss(X, y, weights):
y_pred = predict(X, weights)
return -np.mean(y * np.log(y_pred) + (1 - y) * np.log(1 - y_pred))
# 记录损失值
loss_history = []
for i in range(len(X)):
loss_history.append(loss(X[i], y[i], theta))
# 绘制损失函数曲线
plt.plot(range(len(X)), loss_history)
plt.xlabel("Iteration")
plt.ylabel("Loss Function Value")
plt.title("Change in Loss Function Over Time")
plt.show()
这个图形将显示损失函数值随着迭代次数的减小而减小，这表明Adam优化算法成功地训练了模型。
