Matlab编程思想的一点总结

Matlab编程思想的一点总结

矢量化编程

基本思路:

正向思路和逆向思路相结合,矢量化编程,分块

编程步骤

1.程序原理,并将数学公式变为矩阵运算形式

  1. 整理程序框架步骤,分步进行;
  2. 每一步编写改步程序时用逆向思路,从目标到每一块,分块求解
  3. 该过程注意矢量化编程:矩阵运算,注意矩阵的维数,能用矩阵不用向量运算
  4. 可以写出算法的伪代码
  5. 将伪代码转为matalb语言,注意用最少的语言实现,期间要注意算法的时间复杂度和占用内存的大小

举例:稀疏性编码中求解cost函数和梯度函数

本例基于 UFLDL教程中的稀疏性编码exercise1(练习1)

  1. 程序原理,即与cost函数和梯度函数相关的公式
  2. 程序步骤:
    cost函数由三部分组成: 均方差项,权重衰减项,稀疏性惩罚项
    梯度函数主要包括 w1, w2 ,b1, b2的梯度函数求解
  3. 分块进行(依据矢量化之后的数学公式):
  • 均方差项:
    1. 求解:$ h_{w,b}$ (f激活函数)
    2. 第三层激活值的计算 ( w2,w1,b1,b2)
    3. 第二层激活值的计算
  • 权重衰减项:
    w2,w1的计算,比较简单
  • 稀疏性惩罚项
    1. rho--平均活跃度的计算
    2. 第二层激活值
    3. 惩罚因子计算
  • 梯度函数计算
    1. 以w1的梯度为例:cost函数对w1的梯度由两项构成,第一项与残差有关,第二项与lamda有关
    2. 残差计算和稀疏性惩罚梯度计算
  1. 算法的伪代码,这一步的目的是为了理清matlab程序的思路,对于比较复杂的程序算法,可以写出伪代码,有利于编程,简单的可以略去这步
  2. 将伪代码编程matlab程序

matalb代码

function [cost,grad] = sparseAutoencoderCost(theta, visibleSize, hiddenSize, ...                                           
lambda, sparsityParam, beta, data)
% visibleSize: the number of input units (probably 64) 
% hiddenSize: the number of hidden units (probably 25) 
% lambda: weight decay parameter
% sparsityParam: The desired average activation for the hidden units (denoted in the lecture
%                           notes by the greek alphabet rho, which looks like a lower-case "p").
% beta: weight of sparsity penalty term
% data: Our 64x10000 matrix containing the training data.  So, data(:,i) is the i-th training example. 
  
% The input theta is a vector (because minFunc expects the parameters to be a vector). 
% We first convert theta to the (W1, W2, b1, b2) matrix/vector format, so that this 
% follows the notation convention of the lecture notes. 

W1 = reshape(theta(1:hiddenSize*visibleSize), hiddenSize, visibleSize); % row hindden and column visible
W2 = reshape(theta(hiddenSize*visibleSize+1:2*hiddenSize*visibleSize), visibleSize, hiddenSize);
b1 = theta(2*hiddenSize*visibleSize+1:2*hiddenSize*visibleSize+hiddenSize);
b2 = theta(2*hiddenSize*visibleSize+hiddenSize+1:end);

% Cost and gradient variables (your code needs to compute these values). 
% Here, we initialize them to zeros. 
cost = 0;
W1grad = zeros(size(W1));    % according to each floor to compute the gradient
W2grad = zeros(size(W2));
b1grad = zeros(size(b1)); 
b2grad = zeros(size(b2));

%% ---------- YOUR CODE HERE --------------------------------------
%  Instructions: Compute the cost/optimization objective J_sparse(W,b) for the Sparse Autoencoder,
%                and the corresponding gradients W1grad, W2grad, b1grad, b2grad.
%
% W1grad, W2grad, b1grad and b2grad should be computed using backpropagation.
% Note that W1grad has the same dimensions as W1, b1grad has the same dimensions
% as b1, etc.  Your code should set W1grad to be the partial derivative of J_sparse(W,b) with
% respect to W1.  I.e., W1grad(i,j) should be the partial derivative of J_sparse(W,b) 
% with respect to the input parameter W1(i,j).  Thus, W1grad should be equal to the term 
% [(1/m) \Delta W^{(1)} + \lambda W^{(1)}] in the last block of pseudo-code in Section 2.2 
% of the lecture notes (and similarly for W2grad, b1grad, b2grad).
% 
% Stated differently, if we were using batch gradient descent to optimize the parameters,
% the gradient descent update to W1 would be W1 := W1 - alpha * W1grad, and similarly for W2, b1, b2. 
% 
%1.forward propagation
data_size=size(data);
active_value2=repmat(b1,1,data_size(2));
active_value3=repmat(b2,1,data_size(2));
active_value2=sigmoid(W1*data+active_value2);
active_value3=sigmoid(W2*active_value2+active_value3);
%2.computing error term and cost
ave_square=sum(sum((active_value3-data).^2)./2)/data_size(2);
weight_decay=lambda/2*(sum(sum(W1.^2))+sum(sum(W2.^2)));

p_real=sum(active_value2,2)./data_size(2);
p_para=repmat(sparsityParam,hiddenSize,1);
sparsity=beta.*sum(p_para.*log(p_para./p_real)+(1-p_para).*log((1-p_para)./(1-p_real)));
cost=ave_square+weight_decay+sparsity;

delta3=(active_value3-data).*(active_value3).*(1-active_value3);
average_sparsity=repmat(sum(active_value2,2)./data_size(2),1,data_size(2));
default_sparsity=repmat(sparsityParam,hiddenSize,data_size(2));
sparsity_penalty=beta.*(-(default_sparsity./average_sparsity)+((1-default_sparsity)./(1-average_sparsity)));
delta2=(W2'*delta3+sparsity_penalty).*((active_value2).*(1-active_value2));
%3.backword propagation
W2grad=delta3*active_value2'./data_size(2)+lambda.*W2;
W1grad=delta2*data'./data_size(2)+lambda.*W1;
b2grad=sum(delta3,2)./data_size(2);
b1grad=sum(delta2,2)./data_size(2);

%-------------------------------------------------------------------
% After computing the cost and gradient, we will convert the gradients back
% to a vector format (suitable for minFunc).  Specifically, we will unroll
% your gradient matrices into a vector.

grad = [W1grad(:) ; W2grad(:) ; b1grad(:) ; b2grad(:)];

end

%-------------------------------------------------------------------
% Here's an implementation of the sigmoid function, which you may find useful
% in your computation of the costs and the gradients.  This inputs a (row or
% column) vector (say (z1, z2, z3)) and returns (f(z1), f(z2), f(z3)). 

function sigm = sigmoid(x)
  
    sigm = 1 ./ (1 + exp(-x));
end

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