import tensorflow as tf
import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib import pyplot as plt
from datetime import datetime
import random
t0 = datetime.now()
x_data = np.random.randn(int(1.0e2)).astype(np.float32)
y_data = x_data * 0.3 + 0.15 # 目标函数为一元一次，则其最小二乘的loss函数二元二次
# 在损失函数loss1中，小写字母代表常数，大写字母代表自变量和因变量。
# x_data的元素越多，系数的绝对值越大，图像斜率越大；反之斜率越小。
a = np.sum(x_data**2); b = float(len(x_data))
c = 2*np.sum(x_data); d = -2*np.sum(x_data*y_data)
e = -2*np.sum(y_data); f = np.sum(y_data**2)
# 对于二元二次函数，若二次型的系数矩阵正定，则碗朝上，函数有最小值；
# 若二次型的系数矩阵负定，则碗朝下，函数有最大值；若不定，则其图像为马鞍型。
# 对损失函数loss1作图
fig = plt.figure()
ax = Axes3D(fig)
W = np.arange(-100, 100+0.1, 1)
B = np.arange(-100, 100+0.1, 1)
W, B = np.meshgrid(W, B) # 网格的创建，这个是关键; W在前，是x坐标，B在后，是y坐标。
loss1 = a*W**2 + b*B**2 + c*W*B + d*W + e*B + f
plt.xlabel('W')
plt.ylabel('B')
ax.plot_surface(W, B, loss1, rstride=1, cstride=1, cmap='rainbow')
plt.show()
# 占位符没有指定维度，则根据实际传入的数据维度自动调整其维度
x_ph = tf.placeholder(tf.float32)
y_ph = tf.placeholder(tf.float32)
# 设置损失函数自变量的初始点，本例中最小值点位于（0.3,0.15）
weight_initial = 1.0e4
bias_initial = 1.0e4
weight = tf.Variable(weight_initial)
bias = tf.Variable(bias_initial)
y_model = weight * x_ph + bias
loss2 = tf.reduce_sum((y_model - y_ph)**2)
loss2_mean = loss2/len(x_data)
learning_rate = 1e-1 # learning_rate的设置至关重要，太小了收敛太慢，太大了无法收敛。
train_op = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=learning_rate).minimize(loss2)
sess = tf.Session()
init = tf.global_variables_initializer()
sess.run(init)
print('初始点是：({},{})'.format(weight_initial, bias_initial))
step = 0 # 设置初始的迭代次数
loop = 0 # 设置初始的循环轮数
threshold = 1e-5 # 设置允许误差的阈值
algorithm = 3 # 1代表全量梯度下降，2代表逐样本随机梯度下降，3代表批量（随机）梯度下降
mini_batch_size = 5 # 设置每一批迭代的样本数量，要能够被len(x_data)整除，否则后面循环时会报错
flag = True
while flag:
if algorithm == 1:
# 将已知数据x_data和y_data一次性传入，为全量梯度下降，learning_rate应选小一些的数值
sess.run(train_op, feed_dict={x_ph: x_data, y_ph: y_data})
step += 1
print('第%s次迭代，W is %.2f, B is %.2f' % (step, weight.eval(sess), bias.eval(sess)))
elif algorithm == 2:
# 将已知数据x_data和y_data打乱后每次依次传入一对元素，为逐样本随机梯度下降，learning_rate应选大一些的数值
random.shuffle(x_data)
y_data = x_data * 0.3 + 0.15 # 每次shuffle之后应当再定义一次目标函数，否则x_data和y_data将不能对应
# print('x_data are:', x_data)
# print('y_data are:', y_data)
for (x, y) in zip(x_data, y_data):
sess.run(train_op, feed_dict={x_ph: x, y_ph: y})
step += 1
print('第%s次迭代，W is %.2f, B is %.2f' % (step, weight.eval(sess), bias.eval(sess)))
loop += 1
print('完成第%s轮循环' % loop)
elif algorithm == 3:
# 将已知数据x_data和y_data打乱后每次依次传入一批数据对，为小批量（随机）梯度下降，learning_rate应选适中的数值
random.shuffle(x_data)
y_data = x_data * 0.3 + 0.15 # 每次shuffle之后应当再定义一次目标函数，否则x_data和y_data将不能对应
for i in range(0, len(x_data), mini_batch_size):
x_mini_batch = []
y_mini_batch = []
for j in range(i, i + mini_batch_size, 1):
x_mini_batch.append(x_data[j])
y_mini_batch.append(y_data[j])
sess.run(train_op, feed_dict={x_ph: x_mini_batch, y_ph: y_mini_batch})
step += 1
print('第%s次迭代，W is %.2f, B is %.2f' % (step, weight.eval(sess), bias.eval(sess)))
loop += 1
print('完成第%s轮循环' % loop)
if sess.run(loss2_mean, feed_dict={x_ph: x_data, y_ph: y_data}) <= threshold:
print('满足精度要求')
break # 跳出break所在循环，即while循环
if abs(weight.eval(sess)) > weight_initial*2 or abs(bias.eval(sess)) > bias_initial*2:
print('learning_rate选得过大')
break
plt.plot(x_data, y_data, 'ro', label='Original data')
plt.plot(x_data, sess.run(weight) * x_data + sess.run(bias), label='Fitted line')
plt.legend()
plt.show()
t1 = datetime.now()
print('耗时：', t1-t0)
