详解np.random.normal(0, 3, size=x.shape)

news/2025/11/28 21:44:21/文章来源:https://www.cnblogs.com/wangya216/p/19284228

一、完整语法与参数解释

np.random.normal(loc=0, scale=1, size=None) 是 NumPy 中生成「正态分布（高斯分布）」随机数的核心函数，参数含义如下：

参数名	默认值	作用说明	对应代码中的含义
`loc`	0	正态分布的「均值（μ）」，决定分布的中心位置	噪声的平均值为 0（即噪声围绕真实值上下波动，不偏向正/负方向）
`scale`	1	正态分布的「标准差（σ）」，决定分布的离散程度	噪声的波动幅度为 1（标准差越大，噪声越分散；越小越集中）
`size`	None	生成的随机数的「形状」（如1D数组、2D数组）	`x.shape` 表示：噪声数组的行数、列数和 `x` 完全一致（确保能和 `y_true` 逐元素相加）

二、结合之前的代码场景理解

之前的代码中，这行是用来给「真实模型」添加噪声，模拟真实世界的数据（真实数据不会完美贴合理论模型，总会有测量误差、环境干扰等噪声）：

y_true = 2 * x**2 + 3 * x + 1  # 理论上的真实模型（无噪声，完美曲线）
y = y_true + np.random.normal(0, 1, size=x.shape)  # 加入噪声后的真实数据（散点）

具体效果：

y_true 是纯理论值（比如100个 x 对应100个精准的 y 值，画出来是光滑的红色曲线）；
np.random.normal(0,1,size=x.shape) 生成100个随机数（和 x 一样是 (100,1) 的2D数组），每个数都符合「均值0、标准差1」的标准正态分布；
把这100个随机数（噪声）加到 y_true 上，得到 y（带噪声的真实数据）—— 这就是我们后续用来训练模型的「原始数据」（蓝色散点）。

三、关键细节：正态分布与噪声的合理性

为什么用正态分布？
真实世界中的噪声（如测量误差、环境干扰）大多遵循正态分布（中心极限定理）：大部分噪声接近0（小误差），极少数噪声偏离0较远（大误差），这符合实际场景（比如用尺子测量长度，误差一般在±1mm内，很少出现±1cm的大误差）。
参数调整的影响（如果修改参数）：
- 若把 loc=0 改成 loc=2：噪声均值为2，所有 y 值都会整体上移2（数据偏向正方向），但模型仍能通过拟合修正这个偏移；
- 若把 scale=1 改成 scale=3：噪声标准差变大，数据点会更分散（离红色真实曲线更远），模型拟合难度增加（MSE会更高）；
- 若把 scale=0.1：噪声极小，数据点几乎贴合真实曲线，模型很容易拟合出完美结果。

四、小例子：直观感受生成的随机数

运行以下代码，就能看到 np.random.normal(0,1,size=(5,1)) 生成的随机噪声是什么样的：

import numpy as np
np.random.seed(42)  # 固定种子，让结果可复现# 生成5个符合标准正态分布的随机数（2D数组，和x的形状一致）
noise = np.random.normal(0, 1, size=(5, 1))
print("生成的噪声数据：")
print(noise)

输出（每次运行种子42时都相同）：

生成的噪声数据：
[[ 0.49671415][-0.1382643 ][ 0.64768854][ 1.52302986][-0.23415337]]

可以看到：

数值围绕0波动（符合均值0）；
大部分数值在±1.5之间（符合标准差1，正态分布中约95%的数据在±2σ内）；
形状是 (5,1) 的2D数组（如果 x 是 (100,1)，这里就会生成100个值）。

五、和代码其他部分的关联

因为 size=x.shape，所以噪声数组和 x、y_true 的维度完全匹配（都是 (100,1)），才能用 + 号逐元素相加（广播机制）；
之前设置的 np.random.seed(42) 会影响这里的噪声生成——固定种子后，每次运行生成的噪声都一样，确保后续的模型训练、数据划分结果可复现；
噪声的存在是「多项式次数选择」的前提：如果没有噪声（scale=0），高次多项式（如10次）也能完美拟合 y_true，无法体现过拟合（训练集MSE极小但验证集MSE飙升）的现象。