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El ejercicio se configura y ejecuta con parámetros mínimos con el fin de
que las salidas impresas por consola no sean grandes. Se puede jugar con estos
valores:
np.random.seed(0)
X = 2 * np.random.rand(20, 1)
y = 4 + 3 * X + np.random.randn(20, 1)
learning_rate = 0.1
batch_size = 10
epochs = 10
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El descenso de gradiente Mini-Batch es una técnica de optimización ampliamente utilizada en el aprendizaje automático y la optimización numérica. Permite entrenar modelos de manera eficiente al actualizar los pesos del modelo en función de un subconjunto (mini-lote o mini-batch) de datos de entrenamiento en lugar de utilizar el conjunto de datos completo en cada iteración. Además, en algunos casos, se introducen elementos de aleatoriedad en la selección de estos mini-lotes para mejorar la convergencia y evitar que el algoritmo quede atrapado en mínimos locales.
Aquí hay un resumen de cómo funciona el descenso de gradiente Mini-Batch con entrada de datos aleatorios:
División del conjunto de datos: En lugar de usar todo el conjunto de datos de entrenamiento en cada iteración (como se hace en el descenso de gradiente por lotes), el conjunto de datos se divide en mini-lotes más pequeños. La elección del tamaño del mini-lote es un hiperparámetro importante que debe ajustarse según las características de los datos y el modelo.
Aleatorización de los datos: Para introducir aleatoriedad, el conjunto de datos se suele barajar (mezclar) al comienzo de cada época (una época se completa después de que el modelo haya visto todos los mini-lotes). Esto evita que el modelo se ajuste a patrones específicos del orden en que se presentan los datos y mejora la generalización.
Iteración: El algoritmo recorre las épocas, y en cada época, se selecciona un mini-lote aleatorio de datos. Los pesos del modelo se actualizan en función del gradiente calculado utilizando solo los ejemplos en ese mini-lote. La actualización de los pesos se realiza de acuerdo con la dirección del gradiente descendente, como en el descenso de gradiente estándar.
Convergencia: El proceso se repite durante varias épocas hasta que el algoritmo alcance un criterio de convergencia predefinido (por ejemplo, una pérdida baja o un número máximo de épocas).
La aleatorización de los mini-lotes y la aleatorización de los datos en cada época ayudan a evitar que el descenso de gradiente Mini-Batch quede atrapado en mínimos locales y mejora la capacidad del algoritmo para generalizar a nuevos datos. También hace que el entrenamiento sea más eficiente en términos de tiempo y memoria en comparación con el descenso de gradiente por lotes.
El descenso de gradiente Mini-Batch es especialmente útil cuando se trabaja con grandes conjuntos de datos que no caben en la memoria, ya que permite entrenar modelos de manera más rápida y escalable utilizando recursos computacionales limitados.Descenso de gradiente Mini Batch.
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MiniBatch-Aula_228-B.py
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El descenso de gradiente mini batch, también conocido como Mini Batch Gradient Descent, es una variante del algoritmo de optimización del descenso de gradiente utilizado en el aprendizaje automático y la optimización de modelos de redes neuronales. A diferencia del descenso de gradiente estocástico (SGD) y el descenso de gradiente por lotes (Batch Gradient Descent), el descenso de gradiente mini batch combina características de ambos enfoques.
En el descenso de gradiente mini batch, los datos de entrenamiento se dividen en lotes más pequeños, cada uno de los cuales se utiliza para calcular una actualización parcial de los pesos del modelo. Estos lotes más pequeños se llaman "mini lotes". La idea detrás de esta técnica es encontrar un equilibrio entre la eficiencia de la actualización de parámetros y la variabilidad de las actualizaciones en comparación con el SGD y el Batch Gradient Descent.
Aquí hay una descripción paso a paso del proceso del descenso de gradiente mini batch:
División de los datos: Los datos de entrenamiento se dividen en mini lotes de tamaño fijo. El tamaño del mini lote es un hiperparámetro que se puede ajustar según las necesidades del problema. Por lo general, los tamaños de mini lotes varían desde 16 hasta 256 ejemplos, pero esto puede variar según el conjunto de datos y la arquitectura de la red.
Inicialización de pesos: Se inicializan los pesos del modelo de manera aleatoria o utilizando algún método de inicialización específico.
Cálculo del gradiente: Para cada mini lote, se calcula el gradiente de la función de pérdida con respecto a los pesos del modelo utilizando solo los ejemplos en ese mini lote. Esto se hace utilizando retropropagación (backpropagation).
Actualización de pesos: Los pesos del modelo se actualizan utilizando el gradiente calculado. La fórmula de actualización es similar a la del descenso de gradiente estocástico, pero en lugar de utilizar un solo ejemplo, se promedian los gradientes de todos los ejemplos en el mini lote. Esto suaviza las actualizaciones y reduce la variabilidad en comparación con el SGD.
Iteración: Se repiten los pasos 3 y 4 para cada mini lote. Este proceso se repite a lo largo de múltiples épocas hasta que se alcance un criterio de parada, como un número máximo de épocas o una convergencia satisfactoria.
Ventajas del descenso de gradiente mini batch:
Mayor eficiencia computacional en comparación con el Batch Gradient Descent, ya que se aprovecha el paralelismo en las operaciones matriciales.
Menor variabilidad en las actualizaciones de peso en comparación con el SGD, lo que puede llevar a una convergencia más rápida y estable.
El descenso de gradiente mini batch es una elección común para entrenar modelos de redes neuronales en la práctica, ya que combina las ventajas de SGD y Batch Gradient Descent. El tamaño del mini lote es un hiperparámetro crítico que debe ajustarse según el problema y la memoria disponible.Algoritmo para ingresar al correo en un segundo, o menos de dos.
Ejercicio sencillo para aprendizaje de un descenso de gradiente tipo estocástico.
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Descenso de Gradiente Estocástico (Stochastic Gradient Descent, SGD):
El descenso de gradiente estocástico es un enfoque de optimización en el que se actualizan los parámetros del modelo utilizando un solo ejemplo de entrenamiento o un pequeño subconjunto de ejemplos (mini-batch) en cada iteración.
En cada iteración, se selecciona aleatoriamente un ejemplo o un mini-batch para calcular el gradiente y actualizar los parámetros.
SGD es mucho más eficiente computacionalmente que el muestreo histórico de costos y es especialmente útil cuando se tienen grandes conjuntos de datos, ya que permite un entrenamiento más rápido y escalable.
En resumen, el muestreo histórico de costos utiliza todo el conjunto de datos en cada iteración, mientras que el descenso de gradiente estocástico utiliza un subconjunto aleatorio de datos en cada iteración. SGD tiende a ser más ruidoso debido a su aleatoriedad, pero puede converger a una solución aceptable en menos iteraciones. Ambos enfoques tienen sus ventajas y desventajas, y la elección entre ellos depende de las características del problema y los recursos computacionales disponibles. También existen variantes intermedias, como el Mini-batch Gradient Descent, que utilizan un tamaño de mini-batch moderado para combinar eficiencia y estabilidad en el entrenamiento de modelos.
"""
Hilario Iglesias Martínez.
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Ejercicio:
CuadernoEstocas-Aula-48-15-SEP-RV-2.py
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Ejecución:python3 CuadernoEstocas-Aula-48-15-SEP-RV-2.py
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Se prueba con los valores con pareamétros mínimos,
con el fin de apreciar su funcionamiento:
learning_rate = 0.01
n_iterations = 4
np.random.seed(0)
X = 2 * np.random.rand(4, 1)
y = 4 + 3 * X + np.random.randn(4, 1)
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Creado bajo plataforma Linux.
Ubuntu 20.04.6 LTS
Editado con Sublime Text.
Ejecutado bajo consola linux:
python3 CuadernoEstocas-Aula-48-15-SEP-RV-2.py
"""Hilario Iglesias Marínez
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Ejercicio:
Estocástico_Aula_F-890.py
Ejecucion bajo Consola Linux:
python3 Estocástico_Aula_F-890.py
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Diferencias.
El descenso de gradiente es un algoritmo de optimización utilizado comúnmente en el aprendizaje automático y la optimización de funciones. Hay dos variantes principales del descenso de gradiente: el descenso de gradiente tipo Batch (también conocido como descenso de gradiente por lotes) y el descenso de gradiente estocástico. Estas dos variantes difieren en la forma en que utilizan los datos de entrenamiento para actualizar los parámetros del modelo en cada iteración.
Descenso de Gradiente Tipo Batch:
En el descenso de gradiente tipo Batch, se utiliza el conjunto completo de datos de entrenamiento en cada iteración del algoritmo para calcular el gradiente de la función de costo con respecto a los parámetros del modelo.
El gradiente se calcula tomando el promedio de los gradientes de todas las muestras de entrenamiento.
Luego, se actualizan los parámetros del modelo utilizando este gradiente promedio.
El proceso se repite hasta que se alcanza una convergencia satisfactoria o se ejecuta un número predefinido de iteraciones.
Descenso de Gradiente Estocástico (SGD):
En el descenso de gradiente estocástico, en cada iteración se selecciona una sola muestra de entrenamiento al azar y se utiliza para calcular el gradiente de la función de costo.
Los parámetros del modelo se actualizan inmediatamente después de calcular el gradiente para esa única muestra.
Debido a la selección aleatoria de muestras, el proceso de actualización de parámetros es inherentemente más ruidoso y menos suave que en el descenso de gradiente tipo Batch.
SGD es más rápido en cada iteración individual y a menudo converge más rápidamente, pero puede ser más ruidoso y menos estable en términos de convergencia que el descenso de gradiente tipo Batch.
Diferencias clave:
Batch GD utiliza todo el conjunto de datos en cada iteración, lo que puede ser costoso computacionalmente, mientras que SGD utiliza una sola muestra a la vez, lo que suele ser más eficiente en términos de tiempo.
Batch GD tiene una convergencia más suave y estable debido a que utiliza gradientes promedio, mientras que SGD es más ruidoso pero a menudo converge más rápido.
Batch GD puede quedar atrapado en óptimos locales, mientras que SGD puede escapar de ellos debido a su naturaleza estocástica.
En la práctica, también existen variantes intermedias como el Mini-Batch Gradient Descent, que utiliza un pequeño conjunto de datos (mini-lote) en lugar del conjunto completo, equilibrando así los beneficios de ambas técnicas. La elección entre estas variantes depende de la naturaleza del problema y las restricciones computacionales.
[
b]AulaF_658-Gradiente_Estocastico.py
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El descenso de gradiente estocástico (SGD por sus siglas en inglés, Stochastic Gradient Descent) es un algoritmo de optimización ampliamente utilizado en el campo del aprendizaje automático y la inteligencia artificial para entrenar modelos de machine learning, especialmente en el contexto de aprendizaje profundo (deep learning). SGD es una variante del algoritmo de descenso de gradiente clásico.
La principal diferencia entre el descenso de gradiente estocástico y el descenso de gradiente tradicional radica en cómo se actualizan los parámetros del modelo durante el proceso de entrenamiento. En el descenso de gradiente tradicional, se calcula el gradiente de la función de pérdida utilizando todo el conjunto de datos de entrenamiento en cada paso de la optimización, lo que puede ser computacionalmente costoso en conjuntos de datos grandes.
En contraste, en SGD, en cada paso de optimización se utiliza un único ejemplo de entrenamiento (o un pequeño lote de ejemplos de entrenamiento) de forma aleatoria. Esto introduce estocasticidad en el proceso, ya que el gradiente calculado en cada paso se basa en una muestra aleatoria de datos. Como resultado, el proceso de optimización es más rápido y puede converger a un mínimo local o global de la función de pérdida de manera más eficiente en muchos casos.
Los pasos generales del algoritmo de descenso de gradiente estocástico son los siguientes:
Inicializar los parámetros del modelo de manera aleatoria o utilizando algún valor inicial.
Mezclar aleatoriamente el conjunto de datos de entrenamiento.
Realizar iteraciones sobre el conjunto de datos de entrenamiento, tomando un ejemplo (o un pequeño lote) a la vez.
Calcular el gradiente de la función de pérdida con respecto a los parámetros utilizando el ejemplo seleccionado.
Actualizar los parámetros del modelo utilizando el gradiente calculado y una tasa de aprendizaje predefinida.
Repetir los pasos 3-5 durante un número fijo de iteraciones o hasta que se cumpla un criterio de convergencia.
El uso de SGD es beneficioso en situaciones donde el conjunto de datos es grande o cuando se necesita un entrenamiento rápido. Sin embargo, la estocasticidad puede hacer que el proceso sea más ruidoso y requiera una sintonización cuidadosa de hiperparámetros, como la tasa de aprendizaje. Además, existen variantes de SGD, como el Mini-Batch Gradient Descent, que toman un pequeño lote de ejemplos en lugar de uno solo, lo que ayuda a suavizar las actualizaciones de parámetros sin la necesidad de calcular el gradiente en todo el conjunto de datos.Juego de tetris en pantalla grafica (modo 13), se maneja con las teclas de dirección y escape, para cambiar nivel + y -.
Juego de tetris en pantalla de texto, se maneja con las teclas de dirección y escape.
Para subir o bajar de nivel + y -.
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ClaseAula-F896.py
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Este ejercicio, sencillo, para aprendizaje y seguimiento de los parámetros: peso,sesgo,costo, en un descenso de gradiente tipo Batch.
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Los términos "peso", "sesgo" y "costo" pueden tener diferentes significados dependiendo del contexto en el que se utilicen. Aquí te proporcionaré una breve descripción de cada uno de estos términos en diversos contextos:
Peso (Weight):
En el contexto de la física, el peso se refiere a la fuerza gravitatoria que actúa sobre un objeto debido a la atracción de la gravedad de la Tierra. Se mide en unidades de fuerza, como newtons o libras.
En el aprendizaje automático y la inteligencia artificial, un "peso" se refiere a los coeficientes asociados con las conexiones entre neuronas en una red neuronal. Estos pesos determinan la fuerza y dirección de la influencia de una neurona en otra dentro de la red. Los pesos se ajustan durante el proceso de entrenamiento de la red para que la red pueda aprender y realizar tareas específicas.
Sesgo (Bias):
En el contexto de la estadística y el análisis de datos, el sesgo se refiere a la tendencia sistemática de un conjunto de datos o un modelo estadístico a producir resultados que se desvían de la verdad o de la población real debido a errores sistemáticos en el proceso de recopilación o modelado de datos.
En el aprendizaje automático, el sesgo (bias) es un término que se utiliza para referirse a un valor constante añadido a la salida de una función en una red neuronal. El sesgo permite que la red pueda modelar funciones más complejas, desplazando la función de activación. Es una especie de "ajuste" que ayuda a la red a aprender y generalizar mejor.
Costo (Cost):
En el ámbito empresarial y financiero, el costo se refiere a la cantidad de recursos (dinero, tiempo, esfuerzo, etc.) que se requiere para producir o realizar algo. Puede incluir costos directos e indirectos.
En matemáticas y optimización, el costo es una medida de la cantidad que se desea minimizar o maximizar en un problema. Por ejemplo, en la optimización lineal, se busca minimizar una función de costo sujeta a ciertas restricciones.
En el contexto del aprendizaje automático y la optimización de modelos, el costo es una medida de cuán bien está funcionando un modelo en relación con los datos de entrenamiento y se utiliza para ajustar los parámetros del modelo durante el proceso de entrenamiento. El objetivo es minimizar el costo para que el modelo se ajuste mejor a los datos y pueda realizar predicciones precisas en nuevos datos.
Estos son conceptos que pueden ser ampliamente aplicados en diversos campos y contextos, por lo que su significado puede variar según el contexto específico en el que se utilicen.
