集成学习-task1-数学基础

本文深入探讨了集成学习的基础数学知识,涉及高数、线性代数和数理统计。通过三维可视化展示了不同参数下Rosenbrock函数的图形变化,并应用随机牛顿法进行优化。实验发现,当a=x1=x2=0和b=0或a=x1时,函数取得最小值。文章还提供了一个用于随机优化的完整代码示例,展示了优化过程和结果。

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学习目标:

  • 掌握集成学习的数学知识
    包括高数、线性代数、数理统计等

作业
在这里插入图片描述

下面为试探性解答

#利用三维轴方法
from matplotlib import pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

#定义图像和三维格式坐标轴
fig=plt.figure()
ax2 = Axes3D(fig)

在这里插入图片描述

import numpy as np
fig = plt.figure()  #定义新的三维坐标轴
ax3 = plt.axes(projection='3d')

#定义三维数据
x = np.arange(-20,20,0.5)
y = np.arange(-20,20,0.5)
X, Y = np.meshgrid(x, y)
Z = (a-X)**2+b*(Y-X**2)**2


#作图
ax3.plot_surface(X,Y,Z,cmap='rainbow')
#ax3.contour(X,Y,Z, zdim='z',offset=-2,cmap='rainbow)   #等高线图,要设置offset,为Z的最小值
plt.show()

ab
a、b均未定义的情况下如上图所示

import numpy as np
fig = plt.figure()  #定义新的三维坐标轴
ax3 = plt.axes(projection='3d')

#定义三维数据
x = np.arange(-20,20,0.5)
y = np.arange(-20,20,0.5)
X, Y = np.meshgrid(x, y)
Z = (1-X)**2+1*(Y-X**2)**2


#作图
ax3.plot_surface(X,Y,Z,cmap='rainbow')
#ax3.contour(X,Y,Z, zdim='z',offset=-2,cmap='rainbow)   #等高线图,要设置offset,为Z的最小值
plt.show()

在这里插入图片描述
a、b定义为1时如上图所示
a=b=100
上图a=b=100
在这里插入图片描述
上图a=b=1000
在这里插入图片描述
上图a=b=1000000

#随机牛顿法
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import time
%matplotlib inline
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
class Rosenbrock():
    def __init__(self):
        self.x1 = np.arange(-100, 100, 0.0001)
        self.x2 = np.arange(-100, 100, 0.0001)
        #self.x1, self.x2 = np.meshgrid(self.x1, self.x2)
        self.a = 1
        self.b = 1
        self.newton_times = 1000
        self.answers = []
        self.min_answer_z = []


    # 准备数据
    def data(self):
        #z = np.square(self.a - self.x1) + self.b * np.square(self.x2 - np.square(self.x1))
        z = (1-self.x1)**2+1*(self.x1-self.x2**2)**2
        #print(z.shape)
        return z

    # 随机牛顿
    def snt(self,x1,x2,z,alpha):
        rand_init = np.random.randint(0,z.shape[0])
        x1_init,x2_init,z_init = x1[rand_init],x2[rand_init],z[rand_init]
        x_0 =np.array([x1_init,x2_init]).reshape((-1,1))
        #print(x_0)


        for i in range(self.newton_times):
            x_i = x_0 - np.matmul(np.linalg.inv(np.array([[12*x2_init**2-4*x2_init+2,-4*x1_init],[-4*x1_init,2]])),np.array([4*x1_init**3-4*x1_init*x2_init+2*x1_init-2,-2*x1_init**2+2*x2_init]).reshape((-1,1)))
            x_0 = x_i
            x1_init = x_0[0,0]
            x2_init = x_0[1,0]
        answer = x_0
        return answer


    # 绘图
    def plot_data(self,min_x1,min_x2,min_z):
        x1 = np.arange(-100, 100, 0.1)
        x2 = np.arange(-100, 100, 0.1)
        x1, x2 = np.meshgrid(x1, x2)
        a = 1
        b = 1
        z = np.square(a - x1) + b * np.square(x2 - np.square(x1))
        fig4 = plt.figure()
        ax4 = plt.axes(projection='3d')
        ax4.plot_surface(x1, x2, z, alpha=0.3, cmap='winter')  # 生成表面, alpha 用于控制透明度
        ax4.contour(x1, x2, z, zdir='z', offset=-3, cmap="rainbow")  # 生成z方向投影,投到x-y平面
        ax4.contour(x1, x2, z, zdir='x', offset=-6, cmap="rainbow")  # 生成x方向投影,投到y-z平面
        ax4.contour(x1, x2, z, zdir='y', offset=6, cmap="rainbow")  # 生成y方向投影,投到x-z平面
        ax4.contourf(x1, x2, z, zdir='y', offset=6, cmap="rainbow")  # 生成y方向投影填充,投到x-z平面,contourf()函数
        ax4.scatter(min_x1,min_x2,min_z,c='r')
        # 设定显示范围
        ax4.set_xlabel('X')
        ax4.set_ylabel('Y')
        ax4.set_zlabel('Z')
        plt.show()

    # 开始
    def start(self):
        times = int(input("请输入需要随机优化的次数:"))
        alpha = float(input("请输入随机优化的步长"))
        z = self.data()
        start_time = time.time()
        for i in range(times):
            answer = self.snt(self.x1,self.x2,z,alpha)
            self.answers.append(answer)
        min_answer = np.array(self.answers)
        for i in range(times):
            self.min_answer_z.append((1-min_answer[i,0,0])**2+(min_answer[i,1,0]-min_answer[i,0,0]**2)**2)
        optimal_z = np.min(np.array(self.min_answer_z))
        optimal_z_index = np.argmin(np.array(self.min_answer_z))
        optimal_x1,optimal_x2 = min_answer[optimal_z_index,0,0],min_answer[optimal_z_index,1,0]
        end_time = time.time()
        running_time = end_time-start_time
        print("优化的时间:%.2f秒!" % running_time)
        self.plot_data(optimal_x1,optimal_x2,optimal_z)
if __name__ == '__main__':
    snt = Rosenbrock()
    snt.start()

在这里插入图片描述

通过有限的多次定义a、b数值发现,图形大体形状并未发生改变
最小值为当a=x1=x2=0和b=0、a=x1两种情况时取得,Z=0



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