[机器学习-原理篇]学习之线性回归、岭回归、Lasso回归

前言

如果对L1和L2正则化，最小二乘法不了解的，可以先看我写的下面两篇

1. 正则化项L1和L2的总结
2. 一元线性回归用最小二乘法的推导过程
3. [机器学习-原理及实现篇]线性回归-最小二乘法

线性回归很简单，用线性函数拟合数据，用 mean square error (mse) 计算损失（cost），然后用梯度下降法找到一组使 mse 最小的权重。

lasso 回归和岭回归（ridge regression）其实就是在标准线性回归的基础上分别加入 L1 和 L2 正则化（regularization）。L1正则化和L2正则化可以看做是 损失函数的惩罚项 。

本文的重点是解释为什么 L1 正则化会比 L2 正则化让线性回归的权重更加稀疏，即使得线性回归中很多权重为 0，而不是接近 0。或者说，为什么 L1 正则化（lasso）可以进行 feature selection，而 L2 正则化（ridge）不行

一，线性回归——最小二乘

线性回归（linear regression），就是用线性函数 $f(x)=w^{\top }x+b$去拟合一组数据
$D=(x_1,y_1),(x_2,y_2),...,(x_n,y_n)$ 并使得损失 $J=\frac{1}{n}{\sum }_{i=1}^n(f(x_i)-y_i{)}^2$ 最小。线性回归的目标就是找到一组$(w^{\ast },b^{\ast })$，使得损失 J 最小。

线性回归的拟合函数（或 hypothesis）为：
cost function (mse) 为：

实战的相关的例子可以看这个连接
[机器学习-原理及实现篇]线性回归-最小二乘法推导与实践代码
[机器学习-回归算法]Sklearn之线性回归实战

二，Lasso回归

Lasso 回归和岭回归（ridge regression）都是在标准线性回归的基础上修改 cost function，即修改式（2），其它地方不变。

Lasso 的全称为 least absolute shrinkage and selection operator，又译最小绝对值收敛和选择算子、套索算法。

Lasso 回归对式（2）加入 L1 正则化，其 cost function 如下：

三，岭回归

岭回归对式（2）加入 L2 正则化，其 cost function 如下：

四， Lasso回归和岭回归的同和异

• 相同：都可以用来解决标准线性回归的过拟合问题。
• 不同：
  lasso 可以用来做 feature selection，而 ridge 不行。或者说，lasso 更容易使得权重变为 0，而 ridge 更容易使得权重接近 0。
  从贝叶斯角度看，lasso（L1 正则）等价于参数 w 的先验概率分布满足拉普拉斯分布，而 ridge（L2 正则）等价于参数 w 的先验概率分布满足高斯分布。具体参考博客 从贝叶斯角度深入理解正则化 – Zxdon。
  也许会有个疑问，线性回归还会有过拟合问题？

加入 L1 或 L2 正则化，让权值尽可能小，最后构造一个所有参数都比较小的模型。因为一般认为参数值小的模型比较简单，能适应不同的数据集，也在一定程度上避免了过拟合现象。

可以设想一下对于一个线性回归方程，若参数很大，那么只要数据偏移一点点，就会对结果造成很大的影响；但如果参数足够小，数据偏移得多一点也不会对结果造成什幺影响，一种流行的说法是『抗扰动能力强』。具体参见博客 。浅议过拟合现象(overfitting)以及正则化技术原理

五， 为什么 lasso 更容易使部分权重变为 0 而 ridge 不行？

式（5）和（6）可以理解为，在 w 限制的取值范围内，找一个点 w^ 使得 mean square error 最小，t 可以理解为正则化的力度，式（5）和（6）中的 t 越小，就意味着式（3）和（4）中 λ 越大，正则化的力度越大 。

以 x∈R2 为例，式（5）中对 w 的限制空间是方形，而式（6）中对 w 的限制空间是圆形。因为 lasso 对 w 的限制空间是有棱角的，因此

的解更容易切在 w 的某一个维为 0 的点。如下图所示：

Fig. 1 中的坐标系表示 w 的两维，一圈又一圈的椭圆表示函数

的等高线，椭圆越往外，J 的值越大，$w^{\ast }$ 表示使得损失 J 取得全局最优的值。使用 Gradient descent，也就是让 w 向着 w∗ 的位置走。如果没有 L1 或者 L2 正则化约束，$w^{\ast }$ 是可以被取到的。但是，由于有了约束 $\Vert w{\Vert }_1\le t$ 或 $\Vert w{\Vert }_2^2\le t$，w 的取值只能限制在 Fig. 1 所示的灰色方形和圆形区域。当然调整 t 的值，我么能够扩大这两个区域。

等高线从低到高第一次和 w 的取值范围相切的点，即是 lasso 和 ridge 回归想要找的权重 $\hat{w}$。

lasso 限制了 w 的取值范围为有棱角的方形，而 ridge 限制了 w 的取值范围为圆形，等高线和方形区域的切点更有可能在坐标轴上，而等高线和圆形区域的切点在坐标轴上的概率很小。这就是为什么 lasso（L1 正则化）更容易使得部分权重取 0，使权重变稀疏；而 ridge（L2 正则化）只能使权重接近 0，很少等于 0。

正是由于 lasso 容易使得部分权重取 0，所以可以用其做 feature selection，lasso 的名字就指出了它是一个 selection operator。权重为 0 的 feature 对回归问题没有贡献，直接去掉权重为 0 的 feature，模型的输出值不变。

对于 ridge regression 进行 feature selection，你说它完全不可以吧也不是，weight 趋近于 0 的 feature 不要了不也可以，但是对模型的效果还是有损伤的，这个前提还得是 feature 进行了归一化。\

参考资料

[1] https://flashgene.com/archives/11824.html