Градиент потери логарифмической регрессии

Question

Я пытаюсь написать мини-пакетный градиентный спуск для регрессии журнала.

Учитывая numpy-матрицы X_batch (формы (n_samples, n_features)) а также y_batch (формы (n_samples,)).

Наивный способ - написать цикл:

def calc_loss_grad(self, X_batch, y_batch):
    n_samples, n_features = X_batch.shape
    loss_grad = np.zeros((n_features,))
    for i in range(n_samples):
        sigm = sigmoid(X_batch[i] @ self.weights)
        loss_grad += - (y_batch[i] - sigm) * X_batch[i]            
    return loss_grad

Но похоже, что использование цикла - плохая идея относительно скорости. Есть способы лучше? Чистый numpy без цикла? Как-нибудь переписать выражение для градиента?

Answer 1

Обратите внимание, что этот алгоритм ограничен пропускной способностью памяти. Если вы оптимизируете это в более широком контексте (в реальном приложении), очень вероятно, что возможно более высокое ускорение.

пример

import numpy as np

#https://stackru.com/a/29863846/4045774
def sigmoid(x):  
    return np.exp(-np.logaddexp(0, -x))

def calc_loss_grad_1(weights, X_batch, y_batch):
    n_samples, n_features = X_batch.shape
    loss_grad = np.zeros((n_features,))
    for i in range(n_samples):
        sigm = sigmoid(X_batch[i,:] @ weights)
        loss_grad += - (y_batch[i] - sigm) * X_batch[i]            
    return loss_grad

def calc_loss_grad_2(weights, X_batch, y_batch):
    sigm =-y_batch+sigmoid(X_batch@weights)          
    return sigm@X_batch

weights=np.random.rand(n_features)
X_batch=np.random.rand(n_samples,n_features)
y_batch=np.random.rand(n_samples)

#n_samples=int(1e5)
#n_features=int(1e4)
%timeit res=calc_loss_grad_1(weights, X_batch, y_batch)
#1.79 s ± 35.8 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)
%timeit res=calc_loss_grad_2(weights, X_batch, y_batch)
#539 ms ± 21.9 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)

#n_samples=int(1e3)
#n_features=int(1e2)
%timeit res=calc_loss_grad_1(weights, X_batch, y_batch)
#3.68 ms ± 44.7 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100 loops each)
%timeit res=calc_loss_grad_2(weights, X_batch, y_batch)
#49.1 µs ± 503 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10000 loops each)