OCD update.
[pytorch.git] / ddpol.py
index 97d2ff5..35d98a0 100755 (executable)
--- a/ddpol.py
+++ b/ddpol.py
 
 # Written by Francois Fleuret <francois@fleuret.org>
 
-import math
+import math, argparse
 import matplotlib.pyplot as plt
+
 import torch
 
 ######################################################################
 
-def compute_alpha(x, y, D, a = 0, b = 1, rho = 1e-11):
+parser = argparse.ArgumentParser(description='Example of double descent with polynomial regression.')
+
+parser.add_argument('--D-max',
+                    type = int, default = 16)
+
+parser.add_argument('--nb-runs',
+                    type = int, default = 250)
+
+parser.add_argument('--nb-train-samples',
+                    type = int, default = 8)
+
+parser.add_argument('--train-noise-std',
+                    type = float, default = 0.)
+
+parser.add_argument('--seed',
+                    type = int, default = 0,
+                    help = 'Random seed (default 0, < 0 is no seeding)')
+
+args = parser.parse_args()
+
+if args.seed >= 0:
+    torch.manual_seed(args.seed)
+
+######################################################################
+
+def pol_value(alpha, x):
+    x_pow = x.view(-1, 1) ** torch.arange(alpha.size(0)).view(1, -1)
+    return x_pow @ alpha
+
+def fit_alpha(x, y, D, a = 0, b = 1, rho = 1e-12):
     M = x.view(-1, 1) ** torch.arange(D + 1).view(1, -1)
     B = y
 
-    if D+1 > 2:
-        q = torch.arange(2, D + 1).view( 1, -1).to(x.dtype)
+    if D >= 2:
+        q = torch.arange(2, D + 1, dtype = x.dtype).view(1, -1)
         r = q.view(-1,  1)
         beta = x.new_zeros(D + 1, D + 1)
         beta[2:, 2:] = (q-1) * q * (r-1) * r * (b**(q+r-3) - a**(q+r-3))/(q+r-3)
         l, U = beta.eig(eigenvectors = True)
-        Q = U @ torch.diag(l[:, 0].pow(0.5))
+        Q = U @ torch.diag(l[:, 0].clamp(min = 0) ** 0.5)
         B = torch.cat((B, y.new_zeros(Q.size(0))), 0)
         M = torch.cat((M, math.sqrt(rho) * Q.t()), 0)
 
-    alpha = torch.lstsq(B, M).solution.view(-1)[:D+1]
-
-    return alpha
+    return torch.lstsq(B, M).solution[:D+1, 0]
 
 ######################################################################
 
 def phi(x):
-    return 4 * (x - 0.5) ** 2 * (x >= 0.5)
+    return torch.abs(torch.abs(x - 0.4) - 0.2) + x/2 - 0.1
 
 ######################################################################
 
-torch.manual_seed(0)
+def compute_mse(nb_train_samples):
+    mse_train = torch.zeros(args.nb_runs, args.D_max + 1)
+    mse_test = torch.zeros(args.nb_runs, args.D_max + 1)
+
+    for k in range(args.nb_runs):
+        x_train = torch.rand(nb_train_samples, dtype = torch.float64)
+        y_train = phi(x_train)
+        if args.train_noise_std > 0:
+            y_train = y_train + torch.empty_like(y_train).normal_(0, args.train_noise_std)
+        x_test = torch.linspace(0, 1, 100, dtype = x_train.dtype)
+        y_test = phi(x_test)
 
-nb_train_samples = 7
-D_max = 16
-nb_runs = 250
+        for D in range(args.D_max + 1):
+            alpha = fit_alpha(x_train, y_train, D)
+            mse_train[k, D] = ((pol_value(alpha, x_train) - y_train)**2).mean()
+            mse_test[k, D] = ((pol_value(alpha, x_test) - y_test)**2).mean()
 
-mse_train = torch.zeros(nb_runs, D_max + 1)
-mse_test = torch.zeros(nb_runs, D_max + 1)
+    return mse_train.median(0).values, mse_test.median(0).values
+
+######################################################################
+# Plot the MSE vs. degree curves
 
-for k in range(nb_runs):
-    x_train = torch.rand(nb_train_samples, dtype = torch.float64)
-    y_train = phi(x_train)
-    y_train = y_train + torch.empty(y_train.size(), dtype = y_train.dtype).normal_(0, 0.1)
-    x_test = torch.linspace(0, 1, 100, dtype = x_train.dtype)
-    y_test = phi(x_test)
+fig = plt.figure()
 
-    for D in range(D_max + 1):
-        alpha = compute_alpha(x_train, y_train, D)
-        X_train = x_train.view(-1, 1) ** torch.arange(D + 1).view(1, -1)
-        X_test = x_test.view(-1, 1) ** torch.arange(D + 1).view(1, -1)
-        mse_train[k, D] = ((X_train @ alpha - y_train)**2).mean()
-        mse_test[k, D] = ((X_test @ alpha - y_test)**2).mean()
+ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
+ax.set_yscale('log')
+ax.set_ylim(1e-5, 1)
+ax.set_xlabel('Polynomial degree', labelpad = 10)
+ax.set_ylabel('MSE', labelpad = 10)
 
-mse_train = mse_train.median(0).values
-mse_test = mse_test.median(0).values
+ax.axvline(x = args.nb_train_samples - 1,
+           color = 'gray', linewidth = 0.5, linestyle = '--')
+ax.text(args.nb_train_samples - 1.2, 1e-4, 'Nb. params = nb. samples',
+        fontsize = 10, color = 'gray',
+        rotation = 90, rotation_mode='anchor')
+
+mse_train, mse_test = compute_mse(args.nb_train_samples)
+
+ax.plot(torch.arange(args.D_max + 1), mse_train, color = 'blue', label = 'Train error')
+ax.plot(torch.arange(args.D_max + 1), mse_test, color = 'red', label = 'Test error')
+
+ax.legend(frameon = False)
+
+fig.savefig('dd-mse.pdf', bbox_inches='tight')
+
+plt.close(fig)
 
 ######################################################################
+# Plot some examples of train / test
 
-torch.manual_seed(4) # I picked that for pretty
+torch.manual_seed(9) # I picked that for pretty
 
-x_train = torch.rand(nb_train_samples, dtype = torch.float64)
+x_train = torch.rand(args.nb_train_samples, dtype = torch.float64)
 y_train = phi(x_train)
-y_train = y_train + torch.empty(y_train.size(), dtype = y_train.dtype).normal_(0, 0.1)
+if args.train_noise_std > 0:
+    y_train = y_train + torch.empty_like(y_train).normal_(0, args.train_noise_std)
 x_test = torch.linspace(0, 1, 100, dtype = x_train.dtype)
 y_test = phi(x_test)
 
-for D in range(D_max + 1):
+for D in range(args.D_max + 1):
     fig = plt.figure()
 
     ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
     ax.set_title(f'Degree {D}')
     ax.set_ylim(-0.1, 1.1)
-    ax.plot(x_test, y_test, color = 'blue', label = 'Test values')
-    ax.scatter(x_train, y_train, color = 'blue', label = 'Training examples')
+    ax.plot(x_test, y_test, color = 'black', label = 'Test values')
+    ax.scatter(x_train, y_train, color = 'blue', label = 'Train samples')
 
-    alpha = compute_alpha(x_train, y_train, D)
-    X_test = x_test.view(-1, 1) ** torch.arange(D + 1).view(1, -1)
-    ax.plot(x_test, X_test @ alpha, color = 'red', label = 'Fitted polynomial')
+    alpha = fit_alpha(x_train, y_train, D)
+    ax.plot(x_test, pol_value(alpha, x_test), color = 'red', label = 'Fitted polynomial')
 
     ax.legend(frameon = False)
 
     fig.savefig(f'dd-example-{D:02d}.pdf', bbox_inches='tight')
 
-######################################################################
-
-fig = plt.figure()
-
-ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
-ax.set_yscale('log')
-ax.set_xlabel('Polynomial degree', labelpad = 10)
-ax.set_ylabel('MSE', labelpad = 10)
-
-ax.axvline(x = nb_train_samples - 1, color = 'gray', linewidth = 0.5)
-ax.plot(torch.arange(D_max + 1), mse_train, color = 'blue', label = 'Train error')
-ax.plot(torch.arange(D_max + 1), mse_test, color = 'red', label = 'Test error')
-
-ax.legend(frameon = False)
-
-fig.savefig('dd-mse.pdf', bbox_inches='tight')
+    plt.close(fig)
 
 ######################################################################