最小二乘法，梯度下降，牛顿法以及高斯牛顿法

作业推导：

$$E\left[d^2\right]=E\left[{\left(S(k)-S_e(k)\right)}^2\right]=E\left[{\left(S(k)-\sum _{i=1}^N{a}_{i}S(k-i)\right)}^2\right]$$

为了满足最佳预测需求，令：

$\frac{\partial E\left[d^2\right]}{\partial a_i}=0i=1,2,\dots ,N$

有：

$$E\left[2\left(S(k)-\sum _{m=1}^N{a}_{m}S(k-m)\right)S\left(k-i\right)\right]=E\left[2\left(S(k)S\left(k-i\right)-\sum _{m=1}^N{a}_{m}S(k-m)S\left(k-i\right)\right)\right]=0$$

那么可以得到：

$$E\left[S(k\right)S\left(k-i)\right]=E\left[\left(\sum _{m=1}^N{a}_{m}S(k-m)\right)S\left(k-i\right)\right]=\sum _{m=1}^{N}E\left[S(k-m)S(k-i))\right]$$

利用自相关函数的定义$\mathbf{R}(\mathbf{i})=\mathbf{E}[\mathbf{S}(\mathbf{k})\mathbf{S}(\mathbf{k}-\mathbf{i})],i=0,1,2,\dots ,N-1$，可以将上式展开为：

$$R(1)=a_{1}R(0)+a_{2}R(1)+\cdots +a_{N}R(N-1)$$

$$R(2)=a_{1}R(1)+a_{2}R(0)+\cdots +a_{N}R(N-2)$$

$$⋮$$

$$R(N)=a_{1}R(N-1)+a_{2}R(N-2)+\cdots +a_{N}R(0)$$

写成矩阵形式即为：

$$\left[\begin{array}{l}R(1)\\ R(2)\\ ⋮\\ R(N)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{llll}R(0)& R(1)& \cdots & R(N-1)\\ R(1)& R(0)& \cdots & R(N-2)\\ ⋮& ⋮& & ⋮\\ R(N-1)& R(N-2)& \dots & R(0)\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}{a}_1\\ a_2\\ ⋮\\ a_N\end{array}\right]$$

最小二乘法

假设需要描述一个解不存在的巨型方程组$A\mathbf{x}=\mathbf{b}$（比如线性回归问题），通常做法是寻找一个$\mathbf{x}$,使得$A\mathbf{x}$尽量接近$\mathbf{b}$。这里通常使用距离来描述近似，即找出使得$\Vert \mathbf{b}-A\mathbf{x}\Vert$尽量小的$\mathbf{x}$。

定义

If $A$ is $m\times n$ and $\mathbf{b}$ is in ${\mathbb{R}}^m$, a least-squares solution of $A\mathbf{x}=\mathbf{b}$ is an $\hat{\mathbf{x}}$ in ${\mathbb{R}}^n$ such that

$$\Vert \mathbf{b}-A\hat{\mathbf{x}}\Vert \le \Vert \mathbf{b}-A\mathbf{x}\Vert$$
for all $\mathbf{x}$ in ${\mathbb{R}}^n$

定义损失函数$L(\mathbf{x})={\sum }_{i=1}^m\Vert {\mathbf{A}}_i\mathbf{x}-b_i{\Vert }^2$,其中${\mathbf{A}}_i$是A中的第i行。

可以对$L(\mathbf{x})$进行化简：

$$L(\mathbf{x})=({\mathbf{x}}^T{A}^T-{\mathbf{b}}^T)(A\mathbf{x}-\mathbf{b})$$

展开可得

$$L(\mathbf{x})=(A\mathbf{x}{)}^{T}A\mathbf{x}-2(A\mathbf{x}{)}^T\mathbf{b}+{\mathbf{b}}^T\mathbf{b}$$

那么现在的任务就是找到$\mathbf{x}$满足$\mathbf{x}=arg(min(L(\mathbf{x})))$

令$\frac{\partial L(\mathbf{x})}{\mathbf{x}}=2A^{T}A\mathbf{x}-2A^T\mathbf{b}=0$

即$$A^{T}A\mathbf{x}=A^T\mathbf{b}$$

当$A^{T}A$可逆的时候，可以解得

$$\mathbf{x}=(A^{T}A{)}^{-1}{A}^T\mathbf{b}$$

计算时间复杂度为$O(n^{2}m)$.

当矩阵具有某些特殊结构的时候，可以使用算法快速求解最小二乘问题。

有时样本数目不够多或者样本的维度过大，那么就有可能造成过拟合。这时候可以采用正则化的方法，在损失函数中增加一些多余的项，如：

$$L(\mathbf{x})=({\mathbf{x}}^T{A}^T-{\mathbf{b}}^T)(A\mathbf{x}-\mathbf{b})+\rho {\mathbf{x}}^T\mathbf{x}$$

算法

梯度下降

使用负梯度作为搜算个方向。即令$\Delta x=-\nabla f(x)$ 。

步骤

给定 初始点$x\in \mathbf{d}\mathbf{o}\mathbf{m}f$

重复进行

• $\Delta x:=-\nabla f(x)$
  • 检验是否满足停止准则，如果满足则停止。不满足则进行后续步骤。
  • 直线搜索。通过精确或回溯直线搜索方法确定步长t。
  • 修改。$x:=x+t\Delta x$

停止准则通常取为$\Vert \nabla f(x)\Vert \le \eta$。

梯度下降法考虑的是局部性质。对于许多问题，下降速度非常反满。当函数的等值曲线接近一个圆(球)时，最速下降法较快；当其为一个椭球时，最开始几步下降较快，后来就出现锯齿现象，下降缓慢。

牛顿法

牛顿法的思想是利用$f(x)$的泰勒级数前面几项来寻找方程$f(x)=0$的根。

Newton步径

对于$x\in \mathbf{d}\mathbf{o}\mathbf{m}f$,称向量$\Delta x_{\mathrm{n}\mathrm{t}}=-{\nabla }^{2}f(x{)}^{-1}\nabla f(x)$为f在x处的Newton步径。除非$\nabla f(x)=0$,否则都会有：

$$\nabla f(x{)}^T\Delta x_{\mathrm{n}\mathrm{t}}=-\nabla f(x{)}^T{\nabla }^{2}f(x{)}^{-1}\nabla f(x)<0$$

所以Newton步径是下降方向，除非x为最有点。

函数f在x处的二阶泰勒展开为$\hat{f}$为：

$$f(x+v)=f(x)+\nabla f(x{)}^{T}v+\frac{1}{2}{v}^T{\nabla }^{2}f(x)v$$

这是v的二次凸函数，在$v=\Delta x_{nt}$处达到最小值。因此x加上Newton步径能够极小化f在x处的二阶近似。

Newton减量

将

$$\lambda (x)={\left(\nabla f(x{)}^T{\nabla }^{2}f(x{)}^{-1}\nabla f(x)\right)}^{1/2}$$

称为x处的Newton减量。

Newton减量也可以表示为$\lambda (x)={\left(\Delta x_{\mathrm{n}\mathrm{t}}^T{\nabla }^{2}f(x)\Delta x_{\mathrm{n}\mathrm{t}}\right)}^{1/2}$。在回溯直线搜索中可以呗解释为f在x处沿Newton步径方向的方向导数，即：

$$-\lambda (x{)}^2=\nabla f(x{)}^T\Delta x_{\mathrm{n}\mathrm{t}}={\frac{d}{dt}f\left(x+\Delta x_{\mathrm{n}\mathrm{t}}t\right)|}_{t=0}$$

Newton减量也是仿射不变的。

算法步骤

给定 初始点$x\in \mathbf{d}\mathbf{o}\mathbf{m}f$,误差阈值$ϵ>0$

重复进行

1. 计算Newton步径和Newton减量.

   $\Delta x_{\mathrm{n}\mathrm{t}}:=-{\nabla }^{2}f(x{)}^{-1}\nabla f(x);{\lambda }^2:=\nabla f(x{)}^T{\nabla }^{2}f(x{)}^{-1}\nabla f(x)$

2. 停止准则:如果${\lambda }^2/2⩽ϵ$,退出.

3. 直线搜素:通过回溯直线确定搜索步长t.

4. 改进:$x:=x+t\Delta x_{nt}$

高斯牛顿法

高斯牛顿法适用于非线性最小二乘问题,并且只能处理二次函数.

对于非线性最小二乘问题$x=\arg {\min }_x\frac{1}{2}\Vert f(x){\Vert }^2$

高斯牛顿法的思想是把$f(x)$泰勒展开,取一阶近似项.

$$f(x+\Delta x)=f(x)+f^{\prime }(x)\Delta x=f(x)+J(x)\Delta x$$

对上式求导,并令其为0.

有$J(x{)}^{T}J(x)\Delta x=-J(x{)}^{T}f(x)$

其中$J(x)=\left[\begin{array}{c}\frac{\partial f}{\partial x_1}\\ \frac{\partial f}{\partial x_2}\end{array}\right]$.

令$H=J^{T}J,B=-J^{T}f$，则上式可化为$H\Delta x=B$,从而可以得到调整量$\Delta x$.这就要求H可逆。

步骤

给定 初始点$x\in \mathbf{d}\mathbf{o}\mathbf{m}f$

重复进行

1. 计算$J,H,B$,从而得到$\Delta x$
2. 如果满足停止准则则退出
3. 改进:$x:=x+t\Delta x_{nt}$