机器学习线性回归案例讲解_机器学习实战之训练模型-深入分析线性回归
线性回归模型就是对输入特征加权求和，再加上一个我们称为偏置项(截距)的常数，以此进行预测。它反映的是每一个特征对因变量的影响方向( θ值的正负)和影响力(θ 的绝对值大小)。
1. 模型说明
线性回归公式如下：
是预测值
是特征的数量
是第i个特征值
是第j个模型参数(包括偏置项
以及特征权重
,
,...,
)
我也给出一个向量化的线性回归公式，看得明白的人就看一下，看不明白的人当作看明白就可以了。
是模型的参数向量(列向量)
是
的转置向量(行向量)
是实例特征向量(矩阵，包括
到
，
永远为1)
是使用模型参数
的假设函数
是
和
的点积
在数学中，点积是一种接受两个等长的数字序列(通常是坐标向量)、返回单个数字的代数运算，先对两个数字序列中的每组对应元素求积，再对所有积求和，结果即为点积
2. 成本函数
我们如何训练模型呢，我们需要知道如何衡量模型对训练数据的拟合程度的好与坏，回归模型最常见的性能指标(成本函数)是均方误差MSE，我们寻找一个
，使得MSE最小化。
为了得到使得成本函数MSE最小值的
，有一个闭式解方法，就是一个直接得出结论的数学方差，叫做标准方程。
是使得成本函数最小的
值
是包含
到
的目标值向量(因变量向量)
3. 标准方程Python实现
3.1 生成线性数据来进行模型拟合
我们通过y=4+3x+ε公式来生成模拟数(ε为高斯噪声)。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
X = 2 * np.random.rand(100,1)#生产100个1维随机数
y = 4 + 3 * X +np.random.randn(100,1)#生成满足y=4+3x的数据，加入一些随机值
我们看看部分的X，如下图
image
我们看看部分的y，如下图
我们把随机生成的X和y画出来看看。
3.2 标准方程求解
接下来我们用标准方程直接求解
。使用NumPy的线性代数模块np.linalg中的inv()函数对矩阵求逆，并用dot()方法计算矩阵的内积(点积)。
X2 = np.c_[np.ones((100,1)),X]#增加100个1的1维向量和X组合在一起，变成两个特征的向量，请大牛解析下面一行代码
theta_best = np.linalg.inv(X2.T.dot(X2)).dot(X2.T).dot(y)
X2是这样的：
我们直接打印theta_best 出来，它就是我们通过这个公式
模拟的数据的
的结果：
我们期待的是我们得到的是模型参数是4.02和3.07，与4和3非常接近，噪声的存在使得我们不可能完成还原出原本的函数。
我们用我们得到的参数来进行预测
X_new = np.array([[0],[2]]) #x=0和x=2进行预测，X_new为列向量
X_new_b = np.c_[np.ones((2,1)),X_new] #X_new列向量增加一列常量为1的向量
y_predict = X_new_b.dot(theta_best)
y_predict
结果如下：
我们把原始数据和预测数据都画到同一个图上，也把模拟得到的回归曲线画出来
plt.scatter(X,y,c='green', alpha=0.6)
plt.scatter(X_new,y_predict,c='red', alpha=0.6)
plt.plot(X_new,y_predict,c='red')
plt.axis([-0.1,2.1,0,15]) #设置坐标轴的X和Y的最大值和最小值
plt.show()
3.3 Scikit-Learn实现
我们用Scikit-Learn的同样可以实现。
from sklearn.linear_model import LinearRegression
reg = LinearRegression()
reg.fit(X,y)#sklearn的x不需要增加一个值为1的特征向量，默认回归是包含截距的
reg.intercept_,reg.coef_
reg.predict(X_new)
模型参数的拟合值和对X_new的预测值是一样的。
3.4 statsmodels实现
我们用statsmodels库再做一次
import statsmodels.api as sm
x1 = sm.add_constant(X) #X是一维，通过一个简单的函数，就可以增加一个值为1的特征向量，实现了X2 = np.c_[np.ones((100,1)),X]
models = sm.OLS(y,x1)
rs = models.fit()
print(rs.summary())
并且statsmodels给出了更详细的分析结果。
用statsmodels进行预测，注意rs.predict()里面的参数是包括常量1的列向量。
rs.predict(X_new_b)
结果是
array([ 4.02016133, 10.16541594])
和我们其他的方法是一样的。
3.5 梯度下降实现
这里再提供一个梯度下降算法达到统一的目标。梯度下降算法的原理就不解释了，具体请点击这里链接。
eta = 0.1
n_iterations =1000
m = 100
theta = np.random.randn(2,1)
for iteration in range(n_iterations):
gradients = 2/m * X2.T.dot(X2.dot(theta)-y)
theta = theta - eta * gradients
theta
结果是一样的。