AI遮天传 ML-广义线性模型(一)

前文：AI遮天传 ML-回归分析入门_老师我作业忘带了的博客-CSDN博客

前文回顾：

还记得很久很久以前，我们学习了简单的回归分析，这其实与我们在学校所学的求解回归方程并没无太大的区别，或许仅是维度不同。

我们当时通过定义损失函数，让损失函数结果最小，来达到更好的回归效果。

多种损失函数都是可行的，考虑到优化等问题，最常用的是基于误差平方和的损失函数：

• 用误差平方和作为损失函数有很多优点

        • 损失函数是严格的凸函数，有唯一解

        • 求解过程简单且容易计算

• 同时也伴随着一些缺点

        • 结果对数据中的“离群点”(outlier)非常敏感

                • 解决方法：提前检测离群点并去除

        • 损失函数对于超过和低于真实值的预测是等价的

                • 但有些真实情况下二者带来的影响是不同的 

为了找到最优的斜率和截距，我们使用最小二乘法求解出了相应系数：

当然，对于多维：

当因变量有多个时，我们可以用矩阵方式表达

基于以上矩阵表示，可以写为

此时：

注：

• 矩阵X的第一列都是1，其与β相乘表示截距。
• 损失函数结果还是数字
• 通过最小二乘法得到求解β的公式：

例如：

记录了 25 个家庭每年在快销品和日常服务

• 总开销（）
• 每年固定收入（ 2）、持有的流动资产（ 3）

可以构建如下线性回归模型：

 链接 该文章的末尾还有对应的实例实验可供加深理解。

一、普通最小二乘法

上方回顾的内容便是所谓普通最小二乘法回归，我们提到参数的求解公式：

但在sklearn中，已经有封装好的类供我们使用：

from sklearn import linear_model
# 初始化 内部参数选择默认
reg = linear_model.LinearRegression()
X = [[0, 0], [1, 1], [2, 2]]
y = [0, 1, 2]
# 通过fit训练出回归模型
reg.fit (X,y) 
# 这是我们这个模型训练后得到的参数 array([0.5, 0.5])
reg.coef_

# 假设预测的了两个点是[[3,3],[2.5,2.8]]  则结果为array([3.  , 2.65])
reg.predict([[3,3],[2.5,2.8]])

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn import datasets, linear_model
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import mean_squared_error, r2_score #均方误差 决定系数 当然 都可以自己算

diabetes_X, diabetes_y = datasets.load_diabetes(return_X_y=True)

# 只取一个特征 np.newaxis 是为了让其变成二维
diabetes_X = diabetes_X[:,np.newaxis,2] 

# 我们接下来计算 该 特征是否有线性回归关系
# 当然也可以计算总的 但该组数据效果不好，并不全有回归关系。

# 划分数据集
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(diabetes_X,diabetes_y,test_size=0.045, random_state=2020)
# diabetes_X.shape, diabetes_y.shape, x_train.shape, x_test.shape, y_train.shape, y_test.shape # 输出数据行列信息
# 大小：((442, 1), (442,), (422, 1), (20, 1), (422,), (20,))

regr = linear_model.LinearRegression()
regr.fit(x_train, y_train)
# 得到预测结果
p_test = regr.predict(x_test)

# 参数 斜率和截距
print("Coefficients: \n", regr.coef_)
# 均方误差 也可以自己算
print("Mean squared error: %.2f" % mean_squared_error(p_test, y_test))
# 决定系数 越接近1越好
print("Coefficient of determination: %.2f" % r2_score(p_test, y_test))

# 实际数据 用点表示
plt.scatter(x_test, y_test, color="black")
# 根据预测数据 画出回归线
plt.plot(x_test, p_test, color="blue", linewidth=3)
plt.xticks(())
plt.yticks(())
plt.show()

 参数及属性部分建议阅读官方文档，下同：官方文档

然而，对于普通最小二乘的系数估计问题，其依赖于模型各项的相互独立性。当各项是相关的，且设计矩阵的各列近似线性相关，那么，设计矩阵会趋向于奇异矩阵，这种特性导致最小二乘估计对于随机误差非常敏感，可能产生很大的方差。例如，在没有实验设计的情况下收集到的数据，这种多重共线性（multicollinearity）的情况可能真的会出现。

二、岭回归

如果上方最小二乘法使得误差函数最小，用公式表示为：

则岭回归：

岭回归，通过对系数的大小施加惩罚来解决 普通最小二乘法 的一些问题。 岭系数最小化的是带罚项的残差平方和。

其中， α>=0 是控制系数收缩量的复杂性参数： α的值越大，收缩量越大，模型对共线性的鲁棒性也更强。

from sklearn import linear_model
reg = linear_model.Ridge (alpha = .5)
reg.fit ([[0, 0], [0, 0], [1, 1]], [0, .1, 1])
reg.coef_ # array([0.34545455, 0.34545455])
reg.intercept_ # 0.13636363636363638

岭回归系数的影响：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn import linear_model

# X 为 10*10矩阵
X = 1.0 / (np.arange(1, 11) + np.arange(0, 10)[:, np.newaxis])
y = np.ones(10)

n_alphas = 200
# 传入开始值 结束值 个数 生成200个α
alphas = np.logspace(-10, -2, n_alphas)

coefs = []
for a in alphas:
    # fit_intercept 不计算截距
    ridge = linear_model.Ridge(alpha=a, fit_intercept=False)
    ridge.fit(X, y)
    # 记录参数
    coefs.append(ridge.coef_)

ax = plt.gca()

ax.plot(alphas, coefs)
ax.set_xscale("log")
ax.set_xlim(ax.get_xlim()[::-1])  # reverse axis 从大到小
plt.xlabel("alpha")
plt.ylabel("weights")
plt.title("Ridge coefficients as a function of the regularization")
plt.axis("tight")
plt.show()

从上图我们可以看出：α的值越大，收缩量越大，模型对共线性的鲁棒性也更强。

设置正则化参数：广义交叉验证

RidgeCV 通过内置的关于的 alpha 参数的交叉验证来实现岭回归。 该对象与 GridSearchCV 的使用方法相同，只是它默认为 Generalized Cross-Validation(广义交叉验证 GCV)，这是一种有效的留一验证方法（LOO-CV）:

from sklearn import linear_model
reg = linear_model.RidgeCV(alphas=[0.1, 1.0, 10.0])
reg.fit([[0, 0], [0, 0], [1, 1]], [0, .1, 1])       
reg.alpha_  

案例：使用稀疏特征对文本文档进行分类 — scikit-learn 1.1.2 文档