线性回归 最小二乘法

原文在此

线性回归是最基础和常见的算法，属于监督学习的一种，是讲述算法开始的地方。我们在中学、大学学过很多次，虽然我已完全不记得。线性回归作为基础，虽然simple但不意味着easy，对其掌握很重要的。

虽然看上去平平无奇，不过其内涵之丰富让人惊叹，很多复杂的算法中都能看到线性回归的影子，可以自然的过渡到逻辑回归、多层感知机、再到深度学习等复杂的方法。

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本篇主要结构如下：

• 快照snapshot：sklearn实例

• 最小二乘法

快照snapshot

首先看看我们要解决的问题。来自kaggle的house price数据集，有1460个样本的训练集，我们节选两列作为例子。

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给定n个实例，每个实例含有m个特征和1个目标变量。目标变量为连续值时，意味着采用回归的方法；目标变量为离散值时，则采用分类的方法。这里的例子中，GrLivArea和LotArea两列是已知的特征，SalePrice列则是目标变量。目标变量与两个特征的关系如下图，可见特征与目标间基本符合“线性”的假设。

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线性回归假设每个特征和目标变量的关系为线性关系，目标可用各个特征的加权求和求得。用如下公式表达：

其中，x是一个实例，含有m个特征故形状为（1，m）；y是因变量；w是每个特征对应的权重，形状为(m,1)；b是偏差，形状为1。

我们可以把n个实例的公式，写成矩阵形式：

其中，X变为n个实例的集合，是一个（n，m）形状的矩阵。Y为n个实例的目标，是形状为（n，1）的矩阵。

线性回归的求解过程是，已知X和Y，设置一个目标，求解最优目标时的对应的w和b。这里的目标既是：损失函数取最小值。这样问题转化为一个数学优化问题来求解，主要求解方法有基于误差的最小二乘法，和基于频率派观点的最大似然法，基于贝叶斯派观点的最大后验法。

为了了解基本过程，我们先在sklearn里实现一下。

# load the data

我们得到了两个特征对应的权重是4.89e-04和2.83-06，对应的截距b是11.25。这意味着

SalePrice=4.89e-4* GrLivArea + 2.83e-6* LotArea + 11.25

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这样，我们就实现了一个线性回归的过程，知道了它大概的含义。当然，就算在excel里，也很容易的做出拟合来。

最小二乘法

最小二乘法，看着也是平平无奇，但他的发明者却是真大佬：高斯和勒让德。勒让德在1805年的著作《计算慧星轨道的新方法》中首先发表最小二乘法。高斯在4年后也发表了最小二乘法，并宣称已用了很多年了，而且还用它精确预测了谷神星的位置。如果是别人这么说，可能是沽名钓誉，但如果是高斯这么说，我是相信的。看来，最小二乘法也是响当当的高端知识。

最小二乘法的理念是承认观测误差的存在，认为误差是围绕真值上下波动的，当平方误差最小时即为真值。具体应用时，算法的关键是要学习到线性方程中中的未知权重w和b，当经验风险最小化时的权重认为是最优的。为了简化，我们经常在推导中忽略b，因为b可以认为存在一个常数列x=1对应的权重w的一个分量，不必单独另求。

m个实例的经验数据，其经验损失函数为:

虽然预测的时候我们是带入x，求解y，是关于特征x的函数。但训练的时候，我们把损失函数Loss看成是关于w的函数，把问题转化为求关于w的最优化问题。即Loss取最小值时，认为w和b是最佳值。最小值问题当然可以用微积分，导数为0时取得的值为极值，如果是凸函数，此时的极值为最小值。L对w的导数为：

其中，矩阵求导过程中用到的几个规律:

可求得w的解析解为：

这里需要存在逆矩阵的情况下才存在解析解，即需要其是一个满秩矩阵。如果是奇异矩阵，如特征的个数超过样本的个数或一些特征本身是线性相关的，则无法得到其解析解。

# 解析

梯度下降

矩阵求逆的运算量较大，且数据量较大甚至无法放进内存时，我们就需要一种高效数值解法：连深度学习都说好的梯度下降法。数值解法通过不断的迭代，以时间换空间，逐步求的最优解。

直观理解就是，在曲面上的一点，其变化最大的方向、最陡的方向是沿着梯度的方向。我们把loss看作一个w的函数，为了让loss不断减小，移动w的方向就是沿着其梯度的方向。

这里的 就是调参中最重要参数了学习率。每一步都沿着梯度负方向前进一点。梯度下降可以求得全局最优解的条件是凸优化。

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批量梯度下降

批量梯度下降则是为了应对更大量数据的，总共有n个样本。可以一次进去一小批，更新一下参数，再进去更新一小批，更新一下参数。这里n个样本循环轮数称为epochs，每次进去的一下批的个数为batch_size，所以权重w一共更新的次数为 n/batch_size*epochs，称为总的步数steps。

如果每次只进去一个样本进行更新权重，则称为随机梯度下降，此时batch_size大小为1。

这些参数即使到了深度学习也是需要了解的基本概念，因此这里介绍了一下。而从梯度下降对调参的重要启示是：初始化很重要，学习率很重要，梯度下降决定了各个特征需要norm标准化。

通过最小二乘法，我们看到求解一个算法的基本步骤。那就是定义一个损失函数/目标函数，一般的目标函数都是为了让模型的预测尽量贴近数据中已有的标签。然后采用优化方法，不断调整模型重的参数，使目标函数取得最小值，此时的模型参数即为我们找到的模型。这个过程，就可以称之为“学习”。

我是YueTan，欢迎关注。

下篇预告： 机器学习- 线性回归II从零开始实现

参考资料：

• 机器学习

• PRML

• ESL