【人工智能】保姆级波士顿房价预测

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一、实验背景

波士顿房价预测是一个经典的机器学习任务，类似于程序员世界的“Hello World”。和大家对房价的普遍认知相同，波士顿地区的房价是由诸多因素影响的。该数据集统计了13种可能影响房价的因素和该类型房屋的均价，期望构建一个基于13个因素进行房价预测的模型，如 图1 所示。

图1：波士顿房价影响因素示意图

对于预测问题，可以根据预测输出的类型是连续的实数值，还是离散的标签，区分为回归任务和分类任务。因为房价是一个连续值，所以房价预测显然是一个回归任务。下面我们尝试用最简单的线性回归模型解决这个问题，并用神经网络来实现这个模型。

二、实验内容

2.1 假设空间

影响波士顿房价的因素：
feature_names = [ ‘CRIM’, ‘ZN’, ‘INDUS’, ‘CHAS’, ‘NOX’, ‘RM’,‘AGE’,‘DIS’, ‘RAD’, ‘TAX’, ‘PTRATIO’, ‘B’, ‘LSTAT’, ‘MEDV’ ]
假设多个影响房价的因素和房价之间是线性关系，可用线性方程表示

y i = x 1 w 1 + x 2 w 2 + ⋯ + x n w n + b y_{i}= x_{1}w_ {1}+ x_ {2}w_ {2}+\cdots+x_ {n}w_ {n}+b yi​=x1​w1​+x2​w2​+⋯+xn​wn​+b

y = ∑ i = 1 n x i w i + b y= \sum _ {i=1}^ {n}x_ {i} w_ {i} +b y=i=1∑n​xi​wi​+b

2.2 线性回归原理

假设房价和各影响因素之间能够用线性关系来描述：
y = M 2 x j w j + b y= \frac {M}{2}x_ {j} w_ {j} +b y=2M​xj​wj​+b
模型的求解即是通过数据拟合出每个 w j ​ w_j​ wj​​和 b b b。其中， w j ​ w_j​ wj​​和 b b b分别表示该线性模型的权重和偏置。一维情况下， w j ​ w_j​ wj​​和 b b b 是直线的斜率和截距。
线性回归模型使用均方误差作为损失函数（Loss），用以衡量预测房价和真实房价的差异，公式如下
M S E = 1 n ∑ i = 1 n ( Y ^ i − Y i ) 2 MSE= \frac {1}{n} \sum _ {i=1}^ {n} (\widehat {Y}_ {i}-Y_ {i})^ {2} MSE=n1​i=1∑n​(Y i​−Yi​)2
线性回归模型的神经网络结构：

2.3 优化目标

评价指标：使用均方差作为损失函数：衡量预测房价和真实房价的差异
L O S S = 1 n ∑ i = 1 n ( Y ^ i − Y i ) 2 LOSS= \frac {1}{n} \sum _ {i=1}^ {n} (\widehat {Y}_ {i}-Y_ {i})^ {2} LOSS=n1​∑i=1n​(Y i​−Yi​)2 考虑所有样本的误差，然后取平均数
Y ^ i \widehat {Y}_ {i} Y i​ 预测值                  ~~~~~~~~~~~~~~~~                  Y i Y_ {i} Yi​真实值

2.3 优化算法

优化算法：极小化损失函数（反向传播，梯度下降），确定参数 w w w 和 b b b 的值

三、实验过程

3.1 数据处理

1、数据读入

import numpy as np #导入需要用到的packageimport pandas as pdimport randomdata_path = 'housing.data'feature_names = [ 'CRIM', 'ZN', 'INDUS', 'CHAS', 'NOX', 'RM','AGE','DIS', 'RAD', 'TAX', 'PTRATIO', 'B', 'LSTAT', 'MEDV' ]feature_num = len(feature_names)# 数据集列数data = np.fromfile(data_path, sep=' ')data = data.reshape([data.shape[0]//feature_num, feature_num])# 向下取整data#展示数据

2、数据集划分—生成训练集、验证集和测试集

train_num=10eval_num=9train_data = []eval_data = []test_data = []for i in range(len(data)):        if i % test_num == 0:            test_data.append(data[i])        elif i % eval_num == 0:            eval_data.append(data[i])        else:            train_data.append(data[i])train_data = np.array(train_data)eval_data = np.array(eval_data)test_data = np.array(test_data)

划分比例为：8:1:1

3、数据集处理—归一化

方法一：min-max归一化

也称为离差标准化，是对原始数据的线性变换，使结果值映射到[0 - 1]之间。
x n e w = x − x min ⁡ x max ⁡ − x min ⁡ x_ {new} = \frac {x-x_ {\min }}{x_ {\max }-x_ {\min }} xnew​=xmax​−xmin​x−xmin​​
其中max为样本数据的最大值，min为样本数据的最小值。这种归一化方法比较适用在数值比较集中的情况。但是，如果max和min不稳定，很容易使得归一化结果不稳定，使得后续使用效果也不稳定，实际使用中可以用经验常量值来替代max和min。而且当有新数据加入时，可能导致max和min的变化，需要重新定义。

maximums, minimums = train_data.max(axis=0), train_data.min(axis=0)        for i in range(feature_num):            train_data[:, i] = (train_data[:, i] - minimums[i]) / (maximums[i] -minimums[i])            eval_data[:, i] = (eval_data[:, i] - minimums[i]) / (maximums[i] -minimums[i])            test_data[:, i] = (test_data[:, i] - minimums[i]) / (maximums[i] -minimums[i])   

方法二： z-score归一化

这种方法给予原始数据的均值（mean）和标准差（standard deviation）进行数据的标准化。经过处理的数据符合标准正态分布，即均值为0，标准差为1，转化函数为：
x n e w = x − μ σ x_ {new} = \frac {x-\mu }{\sigma } xnew​=σx−μ​

其中 μ \mu μ是样本数据的均值（mean）， σ \sigma σ是样本数据的标准差（std）。此外，标准化后的数据保持异常值中的有用信息，使得算法对异常值不太敏感，这一点归一化就无法保证。

if method == "z-score" :        train_data = stats.zscore(train_data, axis=None)        eval_data = stats.zscore(eval_data, axis=None)        test_data = stats.zscore(test_data, axis=None)

最值归一化和均值方差归一化的区别：
最值归一化缩放仅仅跟最大、最小值的差别有关
均值归一化的缩放和每个点都有关系，通过方差体现出来。与归一化
对比，标准化中所有数据点都有贡献（通过均值和标准差造成影响）
归一化后，不同维度之间的特征在数值上有一定比较性，加速模型收敛，可以大大提高分类器的准确性、数据集批次读入

4、数据集分批次读入

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:]

5、数据集乱序分成批次

np.random.shuffle(training_data)

3.2 模型设计

构建前向网络结构（假设空间）

    def __init__(self, num_of_weights):    #为了保持程序每次运行结果的一致性，设置固定的随机数种子        np.random.seed(2023)        self.w = np.random.normal(0,0.01,(13, 1)) #使用正态分布随机初始化w        self.b = 0        #前向计算    def forward(self, x):        return np.dot(x, self.w) + self.b

3.3 模型配置

在 Network 类下面添加损失函数

   # 计算损失函数    def loss(self, z, y):        error = z - y        num = error.shape[1]        cost = (1/num)*np.sum(np.dot(error,error.T))        return cost

3.4 模型训练

循环调用“前向计算+损失函数+计算梯度+反向传播” 更新参数（优化算法）

通过构建的前馈神经网络完成了计算预测值和损失函数
接下来就是如何根据计算出来的损失函数，通过反馈（反向传播和梯度下降）去将神经网络的参数优化到一个最优状态，即机器学习第三个要素—优化算法寻解。
如何去计算和优化参数 w w w 和 b b b 的数值，这个过程也称为模型训练。
模型训练的目标是让定义的损失函数尽可能的小，即根据样本数据，找到一组参数（ w w w, b b b）的值，使得 L o s s Loss Loss取最小值。

 #反向传播更新权重参数    def update(self, gradient_w, gradient_b, lr):        self.w = self.w - lr*gradient_w        self.b = self.b - lr*gradient_b    def test_or_eval(self,eval_data,batch_size):        n= len(eval_data)        losses = []        mini_batches = [eval_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:]            z=self.forward(x)            loss = self.loss(z, y )            losses.append(loss)        return np.mean(losses)         #训练数据集    def train(self, training_data, eval_data, num_epochs, batch_size,lr=0.01):        n = len(training_data)        losses = []        eval_losses = []        for epoch_id in range(num_epochs):        # 在每轮迭代开始之前，将训练数据的顺序随机打乱        # 然后再按每次取 batch_size 条数据的方式取出            np.random.shuffle(training_data)        # 将训练数据进行拆分，每个 mini_batch 包含 batch_size 条的数据            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)                eval_loss = self.test_or_eval(eval_data,batch_size=batch_size)                gradient_w, gradient_b = self.gradient(x, y)                self.update(gradient_w, gradient_b, lr)                losses.append(loss)                eval_losses.append(eval_loss)            print("Epoch: %d train_loss= %f,eval_loss= %f"%(epoch_id,loss,eval_loss))        return losses,eval_losses

训练结果：

3.5 模型保存和测试

模型的初始训练结果：

计算测试集的损失：

test_loss = net.test_or_eval(test_data,batch_size=10)test_loss

结果为：
![[Pasted image 20231129171042.png]]

四、模型参数调整

1、对epoch的调整

epoch	训练时间	验证集loss
20	0.03125	0.00186
50	0.078125	0.0013
100	0.140625	0.0006773
200	0.28125	0.000424

epoch 的数量会影响模型中权重参数的更新，随着 epoch 的增加，模型会逐渐从欠拟合走向过拟合。而我们要的是一个合适的模型，因此就必须选取一个合适的 epoch 更新出来的参数作为我们模型的最终参数（所以在训练模型时可以先将 epoch 设的稍大些，以便选取收敛最合适的时刻，使得模型的拟合效果最优）
根据实验结果可知，随着epoch的增大验证集的loss逐渐减小。

2、对归一化方法的调整

归一化方法	训练时间	验证集loss
z-score	0.0625	0.0013
max-min	0.21223	0.03698

对于归一化方法，本实验采取了两种归一化方法，左图为min_max归一化，右图为z-score归一化，在其他参数不变的情况下，通过改变归一化方法，可以看出，z-score的收敛速度更快，收敛的效果更好，得到的损失值明显减小。

3、对是否打乱数据的调整

在其他超参数不变的情况下，对“是否打乱数据进行”对照，左图未打乱的数据，右图为未打乱训练。可以明显看出，打乱后的数据收敛效果更好，切收敛速度更快，而未打乱的训练损失，呈现明显的规律性，波动性也比打乱后的打，这样训练的结果可能会导致过拟合，模型的泛化能力差。

4、对学习率的调整

学习率	训练时间	验证集loss
0.01	0.078125	0.00130036
0.05	0.0625	0.00036027
0.1	0.0625	0.0002048
0.2	0.078125	未收敛

学习率设置太大会造成网络不能收敛，在最优值附近徘徊，也就是说直接跳过最低的地方跳到对称轴另一边，从而忽视了找到最优值的位置
如果学习率设置太小，网络收敛非常缓慢，会增大找到最优值的时间，也就是说从山坡上像蜗牛一样慢慢地爬下去。虽然设置非常小的学习率是可以到达，但是这很可能会进入局部极值点就收敛，没有真正找到的最优解。
可以使用学习率衰减机制
在训练过程中，一般根据训练轮数设置动态变化的学习率。
刚开始训练时：学习率以设置为0.01 ~ 0.001 。
一定轮数过后：逐渐减缓。
接近训练结束：学习速率的衰减应该在100倍以上

指数衰减方式：decayed_lr =lr0*(decay_rate^(global_steps/decay_steps)
参数解释：
decayed_lr：衰减后的学习率，也就是当前训练不使用的真实学习率
lr0： 初始学习率
decay_rate： 衰减率，每次衰减的比例
global_steps：当前训练步数
decay_steps：衰减步数，每隔多少步衰减一次。

5、对batch_size大小的调整

batch_size	训练时间	验证集loss
5	0.765625	0.02108
10	0.390625	0.02504
50	0.078125	0.0013003
100	0.046875	0.000067729

batch_size是一次训练所选取的样本数，它的大小会影响模型的优化程度和速度。理论上来说，batch_size 越大，模型参数的训练速度越快。梯度在计算时用的是一次迭代的数据，即 batch_size 大小的数据，为了使得梯度下降的方向更加精准，就需要合适的 batch_size。
在每个迭代中，模型会处理 Batch Size 个样本并计算其损失，然后使用反向传播算法来更新模型的参数。因此，一个 Epoch 包含了多个迭代，每个迭代包含了 Batch Size 个样本的处理和参数更新。
需要注意的是，在实际训练中，可能需要在数据集的最后一个 Batch 中进行填充，以确保每个 Batch 都有相同数量的样本。填充操作会导致最后一个 Batch 的样本数不足 Batch Size，因此在计算迭代次数时，需要将其考虑在内。

五、实验收获

1 标准化方法选择

对于z-score:数据像正太分布时，使用zscore效果最好，收敛速度更快，z-score会改变原有数据的分布结构，不适合用于对稀疏数据
对于min-max：在本实验中的收敛速度和效果不如z-score，最值归一化缩放仅仅跟最大、最小值的差别有关，将样本数据集映射到[0,1]区间里

2 打乱mini-batch

模型和人有相似的地方，就是对最后看到的样本有更深的印象。即越接近最后的几个批次数据对模型参数的影响越大，通过打乱数据，使用随机抽取的方式，预防训练过拟合，得到更低的损失值。

3 batch_size的选择

batch_size 越大，模型参数的训练速度越快，loss的收敛效果更强。

4 学习率的选择

学习率的过大和过小都会对模型产生影响，因此要不断尝试，找到最优的学习率

通过此次学习，让我进一步了解了深度学习内部的网络结构和工作原理，使得我对模型的认知更加清晰，了解了网络内部的算法，我可以根据自己的想法对模型参数进行调整，得到最优的结果，此次学习也加强了我对深度学习的热爱。

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