[PYTHON] Discriminateur linéaire - Discriminateur linéaire de Fisher, Perceptron simple, IRLS

Pour ceux qui veulent savoir rapidement quel hyperplan de classification est dessiné par le discriminateur linéaire de Fisher, le perceptron simple et IRLS (méthode du carré minimum de repondération répétitive), connus comme discriminateurs linéaires.

Générez les deux classes suivantes à partir de la distribution gaussienne et trouvez leurs limites.

*Classe 1:80 piècesN(x | \mu_{1}, \Sigma_{1})À partir de, 20 piècesN(x|\mu_{1}', \Sigma_{1}')Générée à partir de

• Classe 2: Génère 100 pièces à partir de $ N (x | \ mu_ {2}, \ Sigma_ {2}) $

\Sigma_{1} = \Sigma_{1}' = \Sigma_{2} = ((30, 10), (10, 15))^{-1}

\mu_{1} = (0, 0)^{T}

\mu_{1}' = (-2, -2)^{T}

\mu_{2} = (1, 1)^{T}

la mise en oeuvre

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def generate_data(mu, cov, num_data):
    cls1 = np.random.multivariate_normal(mu[0], cov, num_data[0])
    cls1_ = np.random.multivariate_normal(mu[1], cov, num_data[1])
    cls2 = np.random.multivariate_normal(mu[2], cov, num_data[2])

    return np.r_[cls1, cls1_], cls2

def plot(filename, cls1, cls2, spr=None):
    x1, x2 = cls1.T
    plt.plot(x1, x2, "bo")
    x1, x2 = cls2.T
    plt.plot(x1, x2, "ro")
    
    if not spr is None:
        plt.plot(spr[0], spr[1], "g-")

    plt.xlim(-3, 3)
    plt.ylim(-3, 3)
    plt.savefig(filename)
    plt.clf()

def step(out):
    out = out >= 0.
    out = out.astype(float)
    for i in range(len(out[0])):
        if out[0][i] == 0.:
            out[0][i] = -1.

    return out

def sigmoid(x):
    return 1./(1.+np.exp(-x))

def fisher(cls1, cls2):
    m1 = np.mean(cls1, axis=0)
    m2 = np.mean(cls2, axis=0)

    dim = len(m1)

    Sw = np.zeros((dim, dim))
    for i in range(len(cls1)):
        xi = np.array(cls1[i]).reshape(dim, 1)
        m1 = np.array(m1).reshape(dim, 1)
        Sw += np.dot((xi - m1), (xi - m1).T)
    for i in range(len(cls2)):
        xi = np.array(cls2[i]).reshape(dim, 1)
        m2 = np.array(m2).reshape(dim, 1)
        Sw += np.dot((xi - m2), (xi - m2).T)
    Sw_inv = np.linalg.inv(Sw)
    w = np.dot(Sw_inv, (m2 - m1))

    m = (m1 + m2) / 2.
    b = -sum(w*m)
    
    x = np.linspace(-3, 3, 1000)
    y = [(w[0][0]*xs+b)/(-w[1][0]) for xs in x]
    plot("fisher.png ", cls1, cls2, (x, y))

def perceptron(cls1, cls2, lr=0.5, loop=1000):
    cls1_ = np.c_[cls1, np.ones((len(cls1))), np.ones((len(cls1)))]
    cls2_ = np.c_[cls2, np.ones((len(cls2))), -1*np.ones((len(cls2)))]

    data = np.r_[cls1_, cls2_]
    np.random.shuffle(data)
    data, label = np.hsplit(data, [len(data[0])-1])
    w = np.random.uniform(-1., 1., size=(1, len(data[0])))

    for i in range(loop):
        out = np.dot(w, data.T)
        out = step(out)
        dw = lr * (label - out.T) * data
        w += np.mean(dw, axis=0)
    
    x = np.linspace(-3, 3, 1000)
    y = [(w[0][0]*xs+w[0][2])/(-w[0][1]) for xs in x]
    plot("perceptron.png ", cls1, cls2, (x, y))

def IRLS(cls1, cls2, tol=1e-5, maxits=100):
    cls1_ = np.c_[cls1, np.ones((len(cls1))), np.ones((len(cls1)))]
    cls2_ = np.c_[cls2, np.ones((len(cls2))), np.zeros((len(cls2)))]

    data = np.r_[cls1_, cls2_]
    np.random.shuffle(data)
    data, label = np.hsplit(data, [len(data[0])-1])
    w = np.zeros((1, len(data[0])))
    
    itr=0
    while(itr < maxits):
        y = sigmoid(np.dot(w, data.T)).T
        g = np.dot(data.T, (y - label))
        rn = y.T*(1-y.T)
        r = np.diag(rn[0])
        hesse = np.dot(np.dot(data.T, r), data)
        diff = np.dot(np.dot(np.linalg.inv(hesse), data.T), (y - label))
        w -= diff.T
        if np.sum(g**2) <= tol:
            print(itr)
            break
        itr += 1
    
    x = np.linspace(-3, 3, 1000)
    y = [(w[0][0]*xs+w[0][2])/(-w[0][1]) for xs in x]
    plot("IRLS.png ", cls1, cls2, (x, y))

if __name__ == "__main__":
    mu = [[0., 0.], [-2., -2.], [1. ,1.]]
    cov = np.linalg.inv([[30., 10.], [10., 15.]])
    num_data = [80, 20, 100]

    cls1, cls2 = generate_data(mu, cov, num_data)
    plot("data.png ", cls1, cls2)
    fisher(cls1, cls2)
    perceptron(cls1, cls2)
    IRLS(cls1, cls2)

résultat

Tout d'abord, le classificateur linéaire de Fisher Vous pouvez voir qu'il est grandement tiré par la valeur aberrante.

Puis perceptron simple Indépendamment du fait que les performances de généralisation soient bonnes, il s'agit d'un hyperplan de classification qui peut classer les données d'entraînement. En outre, il n'est pas tiré par la valeur aberrante.

Enfin IRLS Il n'est pas affecté par les valeurs aberrantes et semble avoir de bonnes performances de généralisation.