数据结构与算法|哈工大《机器学习》最小二乘法曲线拟合——实验一 java|人工智能

代码更多细节待更新。
目标：掌握最小二乘法求解（无惩罚项的损失函数）、掌握加惩罚项（2范数）的损失函数优化、梯度下降法、共轭梯度法、理解过拟合、克服过拟合的方法(如加惩罚项、增加样本)
【数据结构与算法|哈工大《机器学习》最小二乘法曲线拟合——实验一】已完成的要求：

生成数据，加入噪声；
用高阶多项式函数拟合曲线；
用解析解求解两种loss的最优解（无正则项和有正则项）

目前待实现功能：
4. 优化方法求解最优解（梯度下降，共轭梯度）；
5. 用你得到的实验数据，解释过拟合。
6. 用不同数据量，不同超参数，不同的多项式阶数，比较实验效果。
7. 语言不限，可以用matlab，python。求解解析解时可以利用现成的矩阵求逆。梯度下降，共轭梯度要求自己求梯度，迭代优化自己写。不许用现成的平台，例如pytorch，tensorflow的自动微分工具。
这里的4，5功能等到9.30ddl过后放在最后的下载网址里，打包下载。
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%author：hitwtj clear all; n = 2; %取样频率 T = 2*pi; %周期 step = (T / n)*0.1; %采样步长 t = (0 : step : 2*T); %取样t的函数值采样频率 y = sin(pi/2*t); %取样y的值，产生频率 5Hz 的 sin 函数 figure(1); plot(t,y,'b'); z1=0.3*randn(1,41); %产生方差 N（0，0.12）高斯白噪声（b=0.01/0.1/1） plot(x,z1,'b'); y2=y+z1; %叠加高斯白噪声的正弦波 figure(2); plot(t,y2,'ro'); %展示加过噪声后的图像。 figure(3); %其中t时自变量值，y2是生成的采集点。[~,k]=size(t); for n=1:9 X0=zeros(n+1,k); for k0=1:k%构造矩阵X0 for n0=1:n+1 X0(n0,k0)=t(k0)^(n+1-n0); end end X=X0'; ANSS=(X'*X)\X'*y2'; %自动解方程求逆了…… for i=1:n+1%answer矩阵存储每次求得的方程系数，按列存储 answer(i,n)=ANSS(i); end x0=0 : step : 2*T; y0=ANSS(1)*x0.^n; %根据求得的系数初始化并构造多项式方程 for num=2:1:n+1 y0=y0+ANSS(num)*x0.^(n+1-num); end subplot(3,3,n) plot(t,y2,'*') hold on plot(x0,y0) end

效果：

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最小二乘法2.0版本加入惩罚项后的代码：

%author：hitwtj clear all; n = 1; %取样频率 T = 2*pi; %周期 step = (T / n)*0.1; %采样步长 t = (0 : step : 2*T); %取样t的函数值采样频率 y = sin(pi/2*t); %取样y的值，产生频率 5Hz 的 sin 函数 figure(1); plot(t,y,'b'); z1=0.35*randn(1,21); %产生方差 N（0，0.12）高斯白噪声（b=0.01/0.1/1） plot(x,z1,'b'); y2=y+z1; %叠加高斯白噪声的正弦波 figure(2); plot(t,y2,'ro'); %展示加过噪声后的图像。 figure(3); %其中t时自变量值，y2是生成的采集点。 %取测试样本%这里的机器学习结果存在x0,y0里面 %加过噪声的存在t,y2里 %原来的结果存在t,y里也就是测试样本 [~,k]=size(t); w=zeros(1,50); for n=1:9 X0=zeros(n+1,k); for k0=1:k%构造矩阵X0 for n0=1:n+1 X0(n0,k0)=t(k0)^(n+1-n0); end end X=X0'; ANSS=(X'*X)\X'*y2'; %自动解方程求逆了…… for i=1:n+1%answer矩阵存储每次求得的方程系数，按列存储 answer(i,n)=ANSS(i); end x0=0 : step : 2*T; y0=ANSS(1)*x0.^n; %根据求得的系数初始化并构造多项式方程 for num=2:1:n+1 y0=y0+ANSS(num)*x0.^(n+1-num); end subplot(3,3,n) plot(t,y2,'*') hold on plot(x0,y0) plot(t,y,'b'); %下面计算误差,存在w里 W0=1/2.*(y-y0).^2; w(1,n)=sum(W0); w1(1,n)=2*w(1,n)/21; endfigure(4); plot(x0,y0) hold on plot(t,y2,'*') plot(t,y,'r'); %加入正则项 figure(5); [~,k]=size(t); wz=zeros(1,50); p=2; %λ参数 for n=1:9 X0z=zeros(n+1,k); for k0=1:k%构造矩阵X0 for n0=1:n+1 X0z(n0,k0)=t(k0)^(n+1-n0); end end Xz=X0z'; ANSSZ=(Xz'*Xz+p.*eye(n+1))\Xz'*y2'; %自动解方程求逆了…… for i=1:n+1%answer矩阵存储每次求得的方程系数，按列存储 answerz(i,n)=ANSSZ(i); end x0z=0 : step : 2*T; y0z=ANSSZ(1)*x0z.^n; %根据求得的系数初始化并构造多项式方程 for num=2:1:n+1 y0z=y0z+ANSSZ(num)*x0z.^(n+1-num); end subplot(3,3,n) plot(t,y2,'*') hold on plot(x0z,y0z) plot(t,y,'b'); %下面计算误差,存在w里 W0z=1/2.*(y-y0z).^2; wz(1,n)=sum(W0z); w1z(1,n)=2*wz(1,n)/21; end figure(4); plot(x0z,y0z,'g');

红色线是原函数取样点的连线。
这里蓝色的线，无惩罚项；
绿色的，加了lambda为2的惩罚项，可以看到，
因为惩罚项加的太大，导致了退化。
这里需要调参，lambda需要修改，取0.01-0.5左右比较理想。