拜读的是这本《Python机器学习基础教程》,本文选自第2章“监督学习”第3节“监督学习算法中的线性模型。
本书全部代码:https://github.com/amueller/introduction_to_ml_with_python
线性模型利用输入特征的线性函数(linear function)进行预测!
对于回归问题,线性模型预测的一般公式如下:
ŷ = w[0] * x[0] + w[1] * x[1] + … + w[p] * x[p] + b
这里 x[0] 到 x[p] 表示单个数据点的特征(本例中特征个数为 p+1),w 和 b 是学习模型的参数,ŷ 是模型的预测结果。
对于单一特征的数据集,公式如下:
ŷ = w[0] * x[0] + b
这就是高中数学里的直线方程。这里 w[0] 是斜率,b 是 y 轴偏移。对于有更多特征的数据集,w 包含沿每个特征坐标轴的斜率。或者,你也可以将预测的响应值看作输入特征的加权求和,权重由 w 的元素给出(可以取负值)。
下列代码可以在一维 wave 数据集上学习参数 w[0] 和 b:
import mglearn
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
>>> mglearn.plots.plot_linear_regression_wave()
w[0]: 0.393906 b: -0.031804
添加坐标网格,便于理解直线的含义:从 w[0] 可以看出,斜率在 0.4 左
右;截距为预测直线与 y 轴的交点:比 0 略小。
用于回归的线性模型可以表示为这样的回归模型:
如果将直线的预测结果与KNeighborsRegressor 的预测结果进行比较,你会发现直线的预测能力非常受限。似乎数据的所有细节都丢失了。从某种意义上来说,这种说法是正确的。假设目标 y 是特征的线性组合,这是一个非常强的(也有点不现实的)假设。
但观察一维数据得出的观点有些片面。对于有多个特征的数据集而言,线性模型可以非常强大。特别地,如果特征数量大于训练数据点的数量,任何目标 y 都可以(在训练集上)用线性函数完美拟合。
有许多不同的线性回归模型,他们主要区别为:如何从训练数据中学习参数 w 和 b,以及如何控制模型复杂度。下面介绍最常见几类线性回归模型。
线性回归/普通最小二乘法是回归问题最简单也最经典的线性方法。
线性回归寻找参数 w 和 b,使得对训练集的预测值与真实的回归目标值 y之间的均方误差最小。
均方误差(mean squared error):预测值与真实值之差的平方和除以样本数。
线性回归没有参数,这是一个优点,但也因此无法控制模型的复杂度。
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.model_selection import train_test_split
X, y = mglearn.datasets.make_wave(n_samples=60) # 取60个点
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=42)
lr = LinearRegression().fit(X_train, y_train)
“斜率”参数(w,也叫作权重或系数)被保存在 coef_ 属性中,而偏移或截距(b)被保存在 intercept_ 属性中:
>>> print("lr.coef_:", lr.coef_)
>>> print("lr.intercept_:", lr.intercept_)
lr.coef_: [0.39390555]
lr.intercept_: -0.031804343026759746
intercept_ 属性是一个浮点数,而 coef_ 属性是一个 NumPy 数组,每个元素对应一个输入特征。由于 wave 数据集中只有一个输入特征,所以 lr.coef_ 中只有一个元素。
我们来看一下训练集和测试集的性能:
>>> print("Training set score: {:.2f}".format(lr.score(X_train, y_train)))
>>> print("Test set score: {:.2f}".format(lr.score(X_test, y_test)))
Training set score: 0.67
Test set score: 0.66
R^2 约为 0.66,这个结果不是很好,但我们可以看到,训练集和测试集上的分数非常接近。这说明可能存在欠拟合,而不是过拟合。对于这个一维数据集来说,过拟合的风险很小,因为模型非常简单(或受限)。
对于更高维的数据集(即有大量特征的数据集),线性模型将变得更加强大,但过拟合的可能性也会变大。
将LinearRegression 应用于波士顿房价数据集( 506 个样本和 104个导出特征):
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.model_selection import train_test_split
X, y = mglearn.datasets.load_extended_boston() # 加载拓展波士顿房价数据集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=0)
lr = LinearRegression().fit(X_train, y_train)
发现在训练集上的预测非常准确,但测试集上的 R^2 要低很多:
>>> print("Training set score: {:.2f}".format(lr.score(X_train, y_train)))
>>> print("Test set score: {:.2f}".format(lr.score(X_test, y_test)))
Training set score: 0.95
Test set score: 0.61
训练集和测试集之间的性能差异是过拟合的明显标志
因此我们应该试图找到一个可以控制复杂度的模型。标准线性回归最常用的替代方法之一就是岭回归(ridge regression),下面来看一下。
岭回归也是一种用于回归的线性模型,因此它的预测公式与普通最小二乘法相同。但在岭回归中,对系数(w)的选择不仅要在训练数据上得到好的预测结果,而且还要拟合附加约束。我们还希望系数尽量小。换句话说,w 的所有元素都应接近于 0。直观上来看,这意味着每个特征对输出的影响应尽可能小(即斜率很小),同时仍给出很好的预测结果。
这种约束是所谓正则化(regularization)的一个例子。
正则化:对模型做显式约束,以避免过拟合。
岭回归——> L2 正则化
依旧使用波士顿房价数据集:
from sklearn.linear_model import Ridge
from sklearn.model_selection import train_test_split
X, y = mglearn.datasets.load_extended_boston()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=0)
ridge = Ridge().fit(X_train, y_train) #默认参数 alpha=1.0
可以看出,Ridge 在训练集上的分数(0.89)要低于 LinearRegression(0.95),但在测试集上的分数更高(0.75>0.61)。
>>> print("Training set score: {:.2f}".format(ridge.score(X_train, y_train)))
>>> print("Test set score: {:.2f}".format(ridge.score(X_test, y_test)))
Training set score: 0.89
Test set score: 0.75
这和我们的预期一致:线性回归对数据存在过拟合,而Ridge 是一种约束更强的模型,所以更不容易过拟合。
复杂度更小的模型意味着在训练集上的性能更差,但泛化性能更好。由于我们只对泛化性能感兴趣,所以应该选择 Ridge 模型而不是 LinearRegression 模型。
Ridge 模型在模型的简单性(系数都接近于 0)与训练集性能之间做出权衡。
简单性和训练集性能二者对于模型的重要程度 ——> 改变alpha 参数
在前面的例子中,我们用的是默认参数 alpha=1.0。但没有理由认为这会给出最佳权衡。
alpha 的最佳设定值取决于用到的具体数据集。
>>> ridge10 = Ridge(alpha=10).fit(X_train, y_train) # 设置参数 alpha=10
>>> print("Training set score: {:.2f}".format(ridge10.score(X_train, y_train)))
>>> print("Test set score: {:.2f}".format(ridge10.score(X_test, y_test)))
Training set score: 0.79
Test set score: 0.64
>>> ridge01 = Ridge(alpha=0.1).fit(X_train, y_train) # 设置参数 alpha=10
>>> print("Training set score: {:.2f}".format(ridge01.score(X_train, y_train)))
>>> print("Test set score: {:.2f}".format(ridge01.score(X_test, y_test)))
Training set score: 0.93
Test set score: 0.77
这里 alpha=0.1 似乎效果不错。我们可以尝试进一步减小 alpha 以提高泛化性能。现在,注意参数 alpha 与图 2-1 中的模型复杂度的对应关系。(第 5 章将会讨论选择参数的正确方法)
我们还可以查看 alpha 取不同值时模型的 coef_ 属性,从而更加定性地理解 alpha 参数是如何改变模型的。
更大的 alpha 表示约束更强的模型,所以我们预计大 alpha 对应的 coef_元素比小 alpha 对应的 coef_ 元素要小。这一点可以在下图中得到证实:
plt.plot(ridge01.coef_, 'v', label="Ridge alpha=0.1")
plt.plot(ridge.coef_, 's', label="Ridge alpha=1")
plt.plot(ridge10.coef_, '^', label="Ridge alpha=10")
plt.plot(lr.coef_, 'o', label="LinearRegression")
plt.xlabel("Coefficient index")
plt.ylabel("Coefficient magnitude")
xlims = plt.xlim()
plt.hlines(0, xlims[0], xlims[1])
plt.xlim(xlims)
plt.ylim(-25, 25)
plt.legend()
这里 x 轴对应 coef_ 的元素:x=0 对应第一个特征的系数,x=1 对应第二个特征的系数,以此类推,一直到 x=100。y 轴表示该系数的具体数值。这里需要记住的是,对于 alpha=10,系数大多在 -3 和 3 之间。对于 alpha=1 的 Ridge 模型,系数要稍大一点。对于 alpha=0.1,点的范围更大。对于没有做正则化的线性回归(即 alpha=0),点的范围很大,许多点都超出了图像的范围。
还有一种方法可以用来理解正则化的影响,就是固定 alpha 值,但改变训练数据量。对于上图来说,我们对波士顿房价数据集做二次抽样,并在数据量逐渐增加的子数据集上分别对 LinearRegression 和 Ridge(alpha=1) 两个模型进行评估(将模型性能作为数据集大小的函数进行绘图,这样的图像叫作学习曲线):
mglearn.plots.plot_ridge_n_samples()
要记住的是:如果有足够多的训练数据,正则化变得不那么重要,并且岭回归和线性回归将具有相同的性能(在这个例子中,二者相同恰好发生在整个数据集的情况下,这只是一个巧合)。
除了 Ridge,还有一种正则化的线性回归是 Lasso。
与岭回归相同,使用 lasso 也是约束系数使其接近于 0,但用到的方法不同,叫作 L1 正则化
L1 正则化的结果: 使用 lasso 时某些系数刚好为 0——> 某些特征被模型完全忽略
这可以看作是一种自动化的特征选择。某些系数刚好为 0,这样模型更容易解释,也可以呈现模型最重要的特征。
应用于波士顿房价模型:
from sklearn.linear_model import Lasso
from sklearn.model_selection import train_test_split
X, y = mglearn.datasets.load_extended_boston()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=0)
如你所见,Lasso 在训练集与测试集上的表现都很差。这表示存在欠拟合,我们发现模型只用到了 104 个特征中的 4 个。
>>> lasso = Lasso().fit(X_train, y_train) #默认值 alpha=1.0
>>> print("Training set score: {:.2f}".format(lasso.score(X_train, y_train)))
>>> print("Test set score: {:.2f}".format(lasso.score(X_test, y_test)))
>>> print("Number of features used:", np.sum(lasso.coef_ != 0))
Training set score: 0.29
Test set score: 0.21
Number of features used: 4
与 Ridge 类似,Lasso 也有一个正则化参数 alpha,可以控制系数趋向于 0 的强度。
>>> lasso001 = Lasso(alpha=0.01, max_iter=100000).fit(X_train, y_train)
>>> print("Training set score: {:.2f}".format(lasso001.score(X_train, y_train)))
>>> print("Test set score: {:.2f}".format(lasso001.score(X_test, y_test)))
>>> print("Number of features used:", np.sum(lasso001.coef_ != 0))
Training set score: 0.90
Test set score: 0.77
Number of features used: 33
alpha值变小,我们可以拟合一个更复杂的模型,在训练集和测试集上的表现也更好。模型性能比使用 Ridge 时略好一点,而且我们只用到了 104个特征中的 33 个。这样模型可能更容易理解。
>>> lasso00001 = Lasso(alpha=0.0001, max_iter=100000).fit(X_train, y_train)
>>> print("Training set score: {:.2f}".format(lasso00001.score(X_train, y_train)))
>>> print("Test set score: {:.2f}".format(lasso00001.score(X_test, y_test)))
>>> print("Number of features used:", np.sum(lasso00001.coef_ != 0))
Training set score: 0.95
Test set score: 0.64
Number of features used: 96
再次对不同模型的系数进行作图:
plt.plot(lasso.coef_, 's', label="Lasso alpha=1")
plt.plot(lasso001.coef_, '^', label="Lasso alpha=0.01")
plt.plot(lasso00001.coef_, 'v', label="Lasso alpha=0.0001")
plt.plot(ridge01.coef_, 'o', label="Ridge alpha=0.1")
plt.legend(ncol=2, loc=(0, 1.05))
plt.ylim(-25, 25)
plt.xlabel("Coefficient index")
plt.ylabel("Coefficient magnitude")
在实践中,在两个模型中一般首选岭回归。但如果特征很多,你认为只有其中几个是重要的,那么选择 Lasso 可能更好。同样,如果你想要一个容易解释的模型,Lasso 可以给出更容易理解的模型,因为它只选择了一部分输入特征。scikit-learn 还提供了 ElasticNet类,结合了 Lasso 和 Ridge 的惩罚项。在实践中,这种结合的效果最好,不过代价是要调节两个参数:一个用于 L1 正则化,一个用于 L2 正则化。
为了防止过长篇幅影响阅读体验,请移步:Python机器学习日记6:线性模型(用于分类的线性模型)