【动手学习深度学习】逐行代码解析合集

11实战Kaggle比赛：预测房价

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1、下载和缓存数据集

首先，我们建立字典DATA_HUB， 它可以将数据集名称的字符串映射到数据集相关的二元组上， 这个二元组包含数据集的url和验证文件完整性的sha-1密钥。 所有类似的数据集都托管在地址为DATA_URL的站点上。

import hashlib
import tarfile
import zipfile
import requests
import os
os.environ["KMP_DUPLICATE_LIB_OK"]="TRUE"
"====================1、下载和缓存数据集===================="
#@save
DATA_HUB = dict()
DATA_URL = 'http://d2l-data.s3-accelerate.amazonaws.com/'

下面的download函数用来下载数据集， 将数据集缓存在本地目录（默认情况下为…/data）中， 并返回下载文件的名称。 如果缓存目录中已经存在此数据集文件，并且其sha-1与存储在DATA_HUB中的相匹配， 我们将使用缓存的文件，以避免重复的下载。

# 下载数据集
def download(name, cache_dir=os.path.join('.', 'data')):  #@save"""下载一个DATA_HUB中的文件，返回本地文件名"""assert name in DATA_HUB, f"{name} 不存在于 {DATA_HUB}"url, sha1_hash = DATA_HUB[name]os.makedirs(cache_dir, exist_ok=True)fname = os.path.join(cache_dir, url.split('/')[-1])if os.path.exists(fname):sha1 = hashlib.sha1()with open(fname, 'rb') as f:while True:data = f.read(1048576)if not data:breaksha1.update(data)if sha1.hexdigest() == sha1_hash:return fname  # 命中缓存print(f'正在从{url}下载{fname}...')r = requests.get(url, stream=True, verify=True)with open(fname, 'wb') as f:f.write(r.content)return fname

我们还需实现两个实用函数： 一个将下载并解压缩一个zip或tar文件， 另一个是将本书中使用的所有数据集从DATA_HUB下载到缓存目录中。

def download_extract(name, folder=None):  #@save"""下载并解压zip/tar文件"""fname = download(name)base_dir = os.path.dirname(fname)data_dir, ext = os.path.splitext(fname)if ext == '.zip':fp = zipfile.ZipFile(fname, 'r')elif ext in ('.tar', '.gz'):fp = tarfile.open(fname, 'r')else:assert False, '只有zip/tar文件可以被解压缩'fp.extractall(base_dir)return os.path.join(base_dir, folder) if folder else data_dirdef download_all():  #@save"""下载DATA_HUB中的所有文件"""for name in DATA_HUB:download(name)

2、访问和读取数据集

"====================2、访问和读取数据集===================="
import matplotlib # 注意这个也要import一次
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import pandas as pd
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l# 使用上面定义的脚本下载并缓存Kaggle房屋数据集。
DATA_HUB['kaggle_house_train'] = (  #@saveDATA_URL + 'kaggle_house_pred_train.csv','585e9cc93e70b39160e7921475f9bcd7d31219ce')DATA_HUB['kaggle_house_test'] = (  #@saveDATA_URL + 'kaggle_house_pred_test.csv','fa19780a7b011d9b009e8bff8e99922a8ee2eb90')

我们使用pandas分别加载包含训练数据和测试数据的两个CSV文件。

train_data = pd.read_csv(download('kaggle_house_train'))
test_data = pd.read_csv(download('kaggle_house_test'))

训练数据集包括1460个样本，每个样本80个特征和1个标签， 而测试数据集包含1459个样本，每个样本80个特征。

print(train_data.shape)
print(test_data.shape)
'''
输出：
(1460, 81)
(1459, 80)
'''

查看前四个和最后两个特征，以及相应标签（房价）。

print(train_data.iloc[0:4, [0, 1, 2, 3, -3, -2, -1]])

在每个样本中，第一个特征是ID， 这有助于模型识别每个训练样本。虽然这很方便，但它不携带任何用于预测的信息。 因此，在将数据提供给模型之前，我们将其从数据集中删除。

pd.concat：用于数据连接合并的函数。此处将训练集的第一列(ID)和最后一列(标签)舍弃，测试集中将第一列(ID)舍弃

all_features = pd.concat((train_data.iloc[:, 1:-1], test_data.iloc[:, 1:]))

3、数据预处理

# 若无法获得测试数据，则可根据训练数据计算均值和标准差# 获取所有数值特征,共有36个
numeric_features = all_features.dtypes[all_features.dtypes != 'object'].index
# print(len(numeric_features))
# 通过将特征重新缩放到零均值和单位方差来标准化数据
all_features[numeric_features] = all_features[numeric_features].apply(lambda x: (x - x.mean()) / (x.std()))
# 在标准化数据之后，所有均值消失，因此我们可以将缺失值设置为0
"不能先用0填充，否则求均值的时候就不是原先数据的均值了"
all_features[numeric_features] = all_features[numeric_features].fillna(0)

处理离散值。用一次独热编码替换他们
pd.get_dummies若不懂可参考：https://blog.csdn.net/arispy/article/details/122413278

# “Dummy_na=True”将“na”（缺失值）视为有效的特征值，并为其创建指示符特征
# pd.get_dummies：对每个类别的值都进行0-1编码 
all_features = pd.get_dummies(all_features, dummy_na=True)
# print(all_features.shape) 
"输出：(2919, 331)"

可以看到此转换会将特征的总数量从79个增加到331个。通过values属性,可以从pandas格式中提取NumPy格式，并将其转换为张量表示用于训练。

n_train = train_data.shape[0]   # 得到训练集的行数
# all_features中前n_train行是训练集，将其转化为tensor
train_features = torch.tensor(all_features[:n_train].values, dtype=torch.float32)
# all_features中后边那些行是测试集，将其转化为tensor
test_features = torch.tensor(all_features[n_train:].values, dtype=torch.float32)
# train_data中SalePrice是标签列，将其转化为n行1列的形式
train_labels = torch.tensor(train_data.SalePrice.values.reshape(-1, 1), dtype=torch.float32)

4、训练

loss = nn.MSELoss()
in_features = train_features.shape[1]  # 331# 单层线性回归
def get_net():net = nn.Sequential(nn.Linear(in_features,1))return net

房价就像股票价格一样，我们关心的是相对数量，而不是绝对数量。
解决这个问题的一种方法是用价格预测的对数来衡量差异。

def log_rmse(net, features, labels):# 为了在取对数时进一步稳定该值，将小于1的值设置为1# torch.clamp:把输入net(features)的值限制在1和float('inf')之间clipped_preds = torch.clamp(net(features), 1, float('inf'))# 根据公式即可明白rmsermse = torch.sqrt(loss(torch.log(clipped_preds),torch.log(labels)))return rmse.item()

训练函数将借助Adam优化器，Adam优化器的主要吸引力在于它对初始学习率不那么敏感。

def train(net, train_features, train_labels, test_features, test_labels,num_epochs, learning_rate, weight_decay, batch_size):train_ls, test_ls = [], []# d2l.load_array:按批量大小取出训练集train_iter = d2l.load_array((train_features, train_labels), batch_size)# 这里使用的是Adam优化算法optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(),lr = learning_rate,weight_decay = weight_decay)for epoch in range(num_epochs):for X, y in train_iter:optimizer.zero_grad()l = loss(net(X), y)l.backward()optimizer.step()# 训练损失列表train_ls.append(log_rmse(net, train_features, train_labels))if test_labels is not None:test_ls.append(log_rmse(net, test_features, test_labels))return train_ls, test_ls

5、K折交叉验证

"====================5、K折交叉验证===================="
# k-折数；i-验证集为第i折；X-特征；y-标签
def get_k_fold_data(k, i, X, y):assert k > 1# 每一折的大小=样本数➗kfold_size = X.shape[0] // k# 定义训练集X_train, y_train = None, None# 循环1到k折for j in range(k):# 获得第j折的索引# slice()函数一共有三个参数：start,end,step。step默认为1idx = slice(j * fold_size, (j + 1) * fold_size)# 获得第j折的数据X_part, y_part = X[idx, :], y[idx]if j == i:# 如果第j折就是要当作验证集的数据X_valid, y_valid = X_part, y_partelif X_train is None:# 训练集为空时，为训练集赋值X_train, y_train = X_part, y_partelse:# 否则，直接让两个数据拼接在一起X_train = torch.cat([X_train, X_part], 0)y_train = torch.cat([y_train, y_part], 0)# 对于给定的k和当前第i折，返回其对应的训练集和验证集return X_train, y_train, X_valid, y_valid

在K折交叉验证中训练K次后，返回训练和验证误差的平均值

def k_fold(k, X_train, y_train, num_epochs, learning_rate, weight_decay,batch_size):# 初始化训练和验证损失总和train_l_sum, valid_l_sum = 0, 0for i in range(k):# 取出第i折对应的训练集和验证集data = get_k_fold_data(k, i, X_train, y_train)# 初始化一个网络net = get_net()# 进行训练，train函数返回的是训练和验证损失数组，数组中每个元素是每一轮计算的损失train_ls, valid_ls = train(net, *data, num_epochs, learning_rate,weight_decay, batch_size)# 对损失求和，这里的-1代表只取最后一轮损失来代表这一折训练的效果train_l_sum += train_ls[-1]valid_l_sum += valid_ls[-1]if i == 0:d2l.plot(list(range(1, num_epochs + 1)), [train_ls, valid_ls],xlabel='epoch', ylabel='rmse', xlim=[1, num_epochs],legend=['train', 'valid'], yscale='log')print(f'折{i + 1}，训练log rmse{float(train_ls[-1]):f}, 'f'验证log rmse{float(valid_ls[-1]):f}')# 返回训练和验证误差的平均值return train_l_sum / k, valid_l_sum / k

6、模型选择

"====================6、模型选择===================="
k, num_epochs, lr, weight_decay, batch_size = 5, 100, 5, 0, 64
train_l, valid_l = k_fold(k, train_features, train_labels, num_epochs, lr,weight_decay, batch_size)
print(f'{k}-折验证: 平均训练log rmse: {float(train_l):f}, 'f'平均验证log rmse: {float(valid_l):f}')
d2l.plt.show()

运行结果

7、提交Kaggle预测

"====================7、提交Kaggle预测===================="
def train_and_pred(train_features, test_features, train_labels, test_data,num_epochs, lr, weight_decay, batch_size):net = get_net()train_ls, _ = train(net, train_features, train_labels, None, None,num_epochs, lr, weight_decay, batch_size)d2l.plot(np.arange(1, num_epochs + 1), [train_ls], xlabel='epoch',ylabel='log rmse', xlim=[1, num_epochs], yscale='log')print(f'训练log rmse：{float(train_ls[-1]):f}')# 将网络应用于测试集。preds = net(test_features).detach().numpy()# 将其重新格式化以导出到Kaggletest_data['SalePrice'] = pd.Series(preds.reshape(1, -1)[0])submission = pd.concat([test_data['Id'], test_data['SalePrice']], axis=1)submission.to_csv('submission.csv', index=False)

如果测试集上的预测与K倍交叉验证过程中的预测相似， 那就是时候把它们上传到Kaggle了。 下面的代码将生成一个名为submission.csv的文件。

train_and_pred(train_features, test_features, train_labels, test_data,num_epochs, lr, weight_decay, batch_size)d2l.plt.show()

运行结果