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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.
