波士顿房价预测（终版讲解）

作者：不正经 | 2024-05-17 21:32:17

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波士顿房价预测

代码段分四个部分：库的引入、加载数据（函数）、配置网络结构（类）、运行部分（获取数据，创建网络，启动训练，作图）

我的是基础版，库只用到了numpy和matplotlib的pyplto两个。

加载数据需要进行将数据作为数组输入，重整成14*N的二维数组，分训练集和测试集并归一化

重点在配置网络结构部分。搭建神经网络：搭建神经网络就像是用积木搭宝塔。在飞桨中，网络层（layer）是积木，而神精网络是要搭建的宝塔这里通过创建python类的方式完成模型网络的定义，即定义__init__函数和forward函数等。

最后通过调用函数完成模型的训练并作出loss的图

第一部分：库的引入


 
#加载相关库
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

这一部分没什么好说的。paddle版的库引入库可能会比较复杂，这里基础班只用到这两个库。

第二部分：加载数据


#数据预处理
def load_data():
    datafile = './data/data108228/housing.data'
    data = np.fromfile(datafile,sep=' ')   #分隔符：如果一个文件是文本文件，默认空格分隔
    
    feature_names = ['CRIM', 'ZN', 'INDUS', 'CHAS', 'NOX', 'RM', 'AGE','DIS', 'RAD', 'TAX', 'PTRATIO', 'B', 'LSTAT', 'MEDV']
    feature_num = len(feature_names)
 
    data = data.reshape(data.shape[0]//feature_num,feature_num)
 
    ratio = 0.8
    offset=int(data.shape[0]*ratio)
    training_data = data[:offset]
 
    maximums, minimums, avge = training_data.max(axis=0), training_data.min(axis=0), training_data.sum(axis=0) / training_data.shape[0]
 
    #记录数据的归一化参数，在预测时对数据归一化
    global max_values
    global min_values
    global avg_values
    max_values = maximums
    min_values = minimums
    avg_values = avge
    #有的案例加了有的没加，不明白为什么要加，先加上了
    
    for i in range(feature_num):
        data[:, i] = (data[:, i]-avge[i]) / (maximums[i]-minimums[i])
 
    training_data = data[:offset]
    test_data = data[offset:]
    return training_data, test_data

load_data函数返回训练集和测试集两个数组

首先加载文件，这里的分隔符是空格，所以写sep=' '

然后将十三个预测参数和lable的名字给feature_names，用feature_num记录参数的个数，下面要用到feature_num这个变量。

之后重整数据，读入的是一维的数据，需要将它转换为二维的14*N的二维数据

接下来是分组和归一化。由于所有数据都要用训练集的范围来进行归一化操作，先找到训练集，计算出它的最值和均值（其中的axis=0是对第零维，也就是行进行操作）去对所有数据进行归一化，归一化完成后分成两组输出。

第三步：配置网络结构


#数据预处理
def load_data():
    datafile = './data/data108228/housing.data'
    data = np.fromfile(datafile,sep=' ')   #分隔符：如果一个文件是文本文件，默认空格分隔
    
    feature_names = ['CRIM', 'ZN', 'INDUS', 'CHAS', 'NOX', 'RM', 'AGE','DIS', 'RAD', 'TAX', 'PTRATIO', 'B', 'LSTAT', 'MEDV']
    feature_num = len(feature_names)
 
    data = data.reshape(data.shape[0]//feature_num,feature_num)
 
    ratio = 0.8
    offset=int(data.shape[0]*ratio)
    training_data = data[:offset]
 
    maximums, minimums, avge = training_data.max(axis=0), training_data.min(axis=0), training_data.sum(axis=0) / training_data.shape[0]
 
    #记录数据的归一化参数，在预测时对数据归一化
    global max_values
    global min_values
    global avg_values
    max_values = maximums
    min_values = minimums
    avg_values = avge
    #有的案例加了有的没加，不明白为什么要加，先加上了
    
    for i in range(feature_num):
        data[:, i] = (data[:, i]-avge[i]) / (maximums[i]-minimums[i])
 
    training_data = data[:offset]
    test_data = data[offset:]
    return training_data, test_data
In [8]
#配置网络结构
class Network(object):
    def __init__(self, num_of_weights):
        np.random.seed(0)        # 随机产生w的初始值，为了保持程序每次运行结果的一致性，此处设置固定的随机数种子
        self.w = np.random.randn(num_of_weights, 1)
        self.b = 0.
        
    def forward(self, x):
        z = np.dot(x, self.w) + self.b
        return z
 
    def loss(self, z, y):
        error = z - y
        cost = error * error
        cost = np.mean(cost)
        return cost
 
    def gradient(self, x, y):
        z = self.forward(x)
        gradient_w = (z-y)*x
        gradient_w = np.mean(gradient_w, axis=0)
        gradient_w = gradient_w[:, np.newaxis]
        
        gradient_b = (z-y)
        gradient_b = np.mean(gradient_b)
 
        return gradient_w, gradient_b
 
    def update(self, gradient_w, gradient_b, eta=0.01):
        self.w = self.w - eta * gradient_w
        self.b = self.b - eta * gradient_b
 
    def train(self, training_data, num_epochs, batch_size=10, eta=0.01):
        n = len(training_data)
        losses=[]
        for epoch_id in range(num_epochs):
            np.random.shuffle(training_data)
            mini_batches = [training_data[k:k+batch_size] for k in range(0, n, batch_size)]
            for iter_id, mini_batch in enumerate(mini_batches):
                x = mini_batch[:, :-1]
                y = mini_batch[:, -1:]
                a = self.forward(x)
                loss = self.loss(a, y)
                gradient_w, gradient_b = self.gradient(x, y)
                self.update(gradient_w, gradient_b, eta)
                losses.append(loss)
                print('Epoch {:3d} / iter {:3d}, loss = {:4f}'.format(epoch_id, iter_id, loss))
        return losses

这一步是核心拆开来解析：


class Network(object):
    def __init__(self, num_of_weights):
        np.random.seed(0)        # 随机产生w的初始值，为了保持程序每次运行结果的一致性，此处设置固定的随机数种子
        self.w = np.random.randn(num_of_weights, 1)
        self.b = 0.

创建一个类:Network，这种数据类型中包含两部分，w数组和b，因为自变量有13个，所以它们的系数需要一个数组来存，b就初始化为0就可以

$y=\sum_{i=0}^{12} w_{i}x_{i}+b$


def forward(self, x):
        z = np.dot(x, self.w) + self.b
        return z

forward函数 forward函数是框架指定实现向前计算逻辑的函数，返回预测结果。用当前w和x点乘，返回预测结果y(bar)


def loss(self, z, y):
        error = z - y
        cost = error * error
        cost = np.mean(cost)
        return cost

计算损失函数，返回损失值，是个平均数，注意是一个数。


def gradient(self, x, y):
        z = self.forward(x)
        gradient_w = (z-y)*x
        gradient_w = np.mean(gradient_w, axis=0)
        gradient_w = gradient_w[:, np.newaxis]
        
        gradient_b = (z-y)
        gradient_b = np.mean(gradient_b)
 
        return gradient_w, gradient_b

计算梯度函数，先算出用当前w预测的结果，然后用结果算出梯度并求均值。公式就是求偏导。gradient_w需要按行平均，平均后是[w0,w1,,,,,,w12]，shape=(13,)，但w是（13，1）所以需要给gradient_w添加新的一维（虚的）。

返回两个梯度，w的是数组，b的是一个数


def update(self, gradient_w, gradient_b, eta=0.01):
        self.w = self.w - eta * gradient_w
        self.b = self.b - eta * gradient_b

更新函数。完成更新操作，原系数 - 学习率和梯度的乘积


def train(self, training_data, num_epochs, batch_size=10, eta=0.01):
        n = len(training_data)
        losses=[]
        for epoch_id in range(num_epochs):
            np.random.shuffle(training_data)
            mini_batches = [training_data[k:k+batch_size] for k in range(0, n, batch_size)]
            for iter_id, mini_batch in enumerate(mini_batches):  #在字典上是枚举的意思
                x = mini_batch[:, :-1]
                y = mini_batch[:, -1:]
                a = self.forward(x)
                loss = self.loss(a, y)
                gradient_w, gradient_b = self.gradient(x, y)
                self.update(gradient_w, gradient_b, eta)
                losses.append(loss)
                print('Epoch {:3d} / iter {:3d}, loss = {:4f}'.format(epoch_id, iter_id, loss))
        return losses

两层循环：

第一层进行num_epochs（迭代周期）次。每次先打乱数据，将数据分组（，每组长度为batch_size，之后嵌套下一层循环

第二层遍历mini_batchs。先将它分成参数和label，计算预测值，损失函数和梯度。更新w

输出当前的轮次，索引和损失函数。并记录每一个loss到losses里，方便作图。

enumerate用处：遍历索引和元素。


list1 = ["this", "is", "a", "test"]
for index, item in enumerate(list1):
    print index, item
>>>
0 this
1 is
2 a
3 test

第四步：启动训练


 
training_data, test_data = load_data()
 
net = Network(13)
 
losses = net.train(training_data, num_epochs=50, batch_size=100, eta=0.1)
 
plot_x = np.arange(len(losses))  #返回有起点和终点的固定步长的排列
plot_y = np.array(losses)
plt.plot(plot_x, plot_y)
plt.show()

很简单，直接看结果：

Epoch   0 / iter   0, loss = 2.467436
Epoch   0 / iter   1, loss = 1.541610
Epoch   0 / iter   2, loss = 1.569710
Epoch   0 / iter   3, loss = 1.853896
Epoch   0 / iter   4, loss = 0.503186
Epoch   1 / iter   0, loss = 1.919441
                   .
                   .
                   .
Epoch  49 / iter   0, loss = 0.093340
Epoch  49 / iter   1, loss = 0.066011
Epoch  49 / iter   2, loss = 0.083206
Epoch  49 / iter   3, loss = 0.096158
Epoch  49 / iter   4, loss = 0.071400

这样房价预测模型就训练完了

保存模型用到 np.save('w.npy', net.w)

np.save('b.npy', net.b)

模型的测试在下一个版本记录

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