Python机器学习算法之线性回归算法

1.算法概述

• 回归就是用一条曲线对数据点进行拟合，该曲线称为最佳拟合曲线，这个拟合过程称为回归。当该曲线是一条直线时，就是线性回归。
• 线性回归(Linear Regression)是利用数理统计中回归分析，来确定两种或两种以上变量间相互依赖关系的一种统计分析方法。
• 线性回归一般用来做连续值的预测，预测的结果是一个连续值。
• 线性回归在训练学习样本时，不仅需要提供特征向量X，还需要提供样本的实际结果（标记label），因此线性回归模型属于监督学习里的回归模型。

2.算法步骤

1. 加载数据集
2. 数据预处理
3. 建立线性回归模型
4. 极小化损失函数
5. 参数求解
6. 模型检验
7. 经济预测

3.梯度下降法

4.最小二乘法

5.算法实现

• 自定义实现

  import numpy as np
  import matplotlib.pyplot as plt
  from scipy import stats
  
  # 构造训练数据
  x = np.arange(0., 10., 0.2)
  m = len(x)
  x0 = np.full(m, 1.0)
  input_data = np.vstack([x0, x]).T
  target_data = 2 * x + 5 + np.random.randn(m)
  
  # 终止条件
  loop_max = 10000  # 最大迭代次数
  epsilon = 1e-3    # 收敛条件最小值
  
  # 初始化权值
  np.random.seed(0)
  theta = np.random.randn(2)
  alpha = 0.001  # 步长
  diff = 0.
  error = np.zeros(2)
  count = 0  # 循环次数
  finish = 0  # 终止标志
  
  # 迭代
  while count < loop_max:
      count += 1
      # 在标准梯度下降中，权值更新的每一步对多个样例求和，需要更多的计算
      sum_m = np.zeros(2)
      for i in range(m):
          dif = (np.dot(theta, input_data[i]) - target_data[i]) * input_data[i]
          # 当alpha取值过大时,sum_m会在迭代过程中会溢出
          sum_m = sum_m + dif
  
      # 注意步长alpha的取值,过大会导致振荡
      theta = theta - alpha * sum_m
  
      # 判断是否已收敛
      if np.linalg.norm(theta - error) < epsilon:
          finish = 1
          break
      else:
          error = theta
  
      print('迭代次数 = %d' % count, '\t w:', theta)
  print('迭代次数 = %d' % count, '\t w:', theta)
  
  # 用scipy线性回归进行检查
  slope, intercept, r_value, p_value, slope_std_error = stats.linregress(x, 
                                                                         target_data)
  print('截距 = %s 斜率 = %s' % (intercept, slope))
  
  # 用plot进行展示
  plt.plot(x, target_data, 'b*')
  plt.plot(x, theta[1] * x + theta[0], 'r')
  plt.xlabel("x")
  plt.ylabel("y")
  plt.show()
  

• 利用Sklearn库实现

  import pandas as pd
  import numpy as np
  import matplotlib.pyplot as plt
  
  from sklearn import datasets
  from sklearn.linear_model import LinearRegression
  
  boston_dataset = datasets.load_boston()
  data = pd.DataFrame(boston_dataset.data)
  data.columns = boston_dataset.feature_names
  data['PRICE'] = boston_dataset.target
  
  # 取出房间数和房价并转化成矩阵形式
  x = data.loc[:, 'RM'].as_matrix(columns=None)
  y = data.loc[:, 'PRICE'].as_matrix(columns=None)
  
  # 进行矩阵的转置
  x = np.array([x]).T
  y = np.array([y]).T
  
  # 训练线性模型
  l = LinearRegression()
  l.fit(x, y)
  
  plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
  plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
  plt.scatter(x, y, s=10, alpha=0.5, c='green')
  plt.plot(x, l.predict(x), c='blue', linewidth='1')
  plt.xlabel("房间数(Number)")
  plt.ylabel("房价(Price)")
  plt.show()
  

6.算法优化

当数据间存在线性关系时，用普通的最小二乘法建模得到的结果误差会很大，甚至会出现和实际相悖的情况，在这种情况下，普通最小二乘法是失效的。而化学家 S. Wold于1983年提出的偏最小二乘法在某种程度上改善了普通最小二乘法对变量间存在线性关系时建模的弊端。