线性回归-line_regression

1 什么是线性回归

线性回归属于监督学习的一种（测试样本自带标签），通过对样本的学习，得到拟合函数，根据拟合函数可以对后来的样本进行预测，即输入样本的标签未知，通过拟合函数求出它的标签。

2 怎么得到拟合函数（Hypothesis Function）

• 选择拟合函数
  在进行训练之前需要先根据样本的分布特征，选择合适的拟合函数模型，再训练样本得到拟合函数。一些拟合函数：
  

  

  hypothesis1
  
  
  

  hypothesis1
  
  
  

  hypothesis1
  
  多项式回归（Polynomial Regression），本质就是多元回归，原样本只有一个特征 x，采用 x² 相当于人为创建了一个新的特征。因此拟合函数可以统一写成：
  
  

  multi_feature
  
  其中的每一个 x 都是样本的一个特征。用向量的形式来表示：
  
  

  vectorlize

• 确定 θ
  原理是一个很自然的想法，使拟合总偏差最小。
  为此先确定一组 θ，将每个训练样本带入拟合函数计算出它们对应的标签，这个计算标签可能与它们自身带的标签不同，计算二者的偏差，将所有偏差相加，就得到了拟合总偏差。通过梯度下降法调整 θ，再进行拟合，当找到一组 θ，使得拟合总偏差最小，就将这组 θ 作为确定的 θ。用函数描述如下：(上标表示样本，下标表示样本的特征，这里是使用向量的形式表示了，因此没有下标）
  

  

  cost_function.png
  
  这个函数称为代价函数（cost function），确定 θ 的过程就是 minimize J(θ) 的过程。

2.1 梯度下降法（Gradiant Descent）

对 θ 求偏导，选择一条下降最快的线路，α 为学习速率

theta j

对求和函数求偏导的过程

partial derivative

每次梯度下降都得到一组 θ，当 θ 的变化很小的时候，算法收敛

• 规范化数据（normlization feature）
  在使用梯度下降法的时候如果特征的取值范围过大，将导致收敛缓慢，因此需要使用规范化函数对每个数据点进行处理，使数据处于一个较小的范围内：
  
  

  norm_function1
  
  avg 为特征 j 的平均值，std 为标准差，还可以选择其他的 norm function 来规范化数据
• 学习数据 α 的选择
  如果 α 过小，则算法收敛很慢，如果 α 过大，将会出现震荡，导致不收敛。在选择 α 的时候先使用 0.001, 0.01, 0.1进行试验，先确定一个范围，然后再慢慢扩大

2.2 标准方程（Normal Equation）

• 对于一元方程，y(t) = a*t + b*t^2 + c通过对 t 求导： dy(t)/dt=0 可以得到使 y(t) 取得最小值的时候的 t。对于多元函数，通过求每个变量的偏导，解方差组可求。因此 minimize J(θ) 可以通过方程的方式来实现： θ = (X^TX)^-1X^Ty
  其中 X 为样本特征构成的矩阵(同一特征在一列上），y 为样本标签组成的列向量
• 使用通用方程不需要设定学习速率和对数据规范化
• 注意：(X^TX)^-1可能会出现不可逆的情况：
  1. X中存在冗余向量 x_i=kx_j( i 不等于 j）
  2. 输入样本过少，而每个样本的特征太多

2.3 梯度下降法和通用方程的比较

梯度下降法，需要进行特征的规范化，需要设置学习速率，算法更复杂，但是时间复杂度低，适用于样本较大的情况
标准方程法，精确，简便，但是矩阵求的时间复杂度为 O(n³)，很高，因此只适用于小规模样本 1000 以下