线性回归的损失和优化，机器学习预测房价

学习目标

• 知道线性回归中损失函数
• 知道使用正规方程对损失函数优化的过程
• 知道使用梯度下降法对损失函数优化的过程

假设房子例子，真实的数据之间存在这样的关系：

真实关系：真实房子价格 = 0.02×中心区域的距离 + 0.04×城市一氧化氮浓度 + (-0.12×自住房平均房价) + 0.254×城镇犯罪率

那么现在呢，我们随意指定一个关系（猜测）

随机指定关系：预测房子价格 = 0.25×中心区域的距离 + 0.14×城市一氧化氮浓度 + 0.42×自住房平均房价 + 0.34×城镇犯罪率

请问这样的话，会发生什么？真实结果与我们预测的结果之间是不是存在一定的误差呢？类似这样样子

既然存在这个误差，那我们就将这个误差给衡量出来

1 损失函数

总损失定义为：

• yi为第i个训练样本的真实值
• h(xi)为第i个训练样本特征值组合预测函数
• 又称最小二乘法

如何去减少这个损失，使我们预测的更加准确些？既然存在了这个损失，我们一直说机器学习有自动学习的功能，在线性回归这里更是能够体现。这里可以通过一些优化方法去优化（其实是数学当中的求导功能）回归的总损失！！！

2 优化算法

如何去求模型当中的W，使得损失最小？（目的是找到最小损失对应的W值）

• 线性回归经常使用的两种优化算法
  • 正规方程
  • 梯度下降法

​

2.1 正规方程

2.1.1 什么是正规方程

 

理解：X为特征值矩阵，y为目标值矩阵。直接求到最好的结果

缺点：当特征过多过复杂时，求解速度太慢并且得不到结果

2.1.2 正规方程求解举例

以下表示数据为例：

 

即

 

 运用正规方程式方法求解参数：

 

2.1.3 正规方程的推导

• 推导方式一：

把该损失函数转换成矩阵写法：

 

其中y是真实值矩阵，X是特征值矩阵，w是权重矩阵

对其求解关于w的最小值，起止y,X 均已知二次函数直接求导，导数为零的位置，即为最小值。

求导：

 

注：式(1)到式(2)推导过程中, X是一个m行n列的矩阵，并不能保证其有逆矩阵，但是右乘XT把其变成一个方阵，保证其有逆矩阵。

式（5）到式（6）推导过程中，和上类似。

2.2 梯度下降(Gradient Descent)

2.2.1 什么是梯度下降

梯度下降法的基本思想可以类比为一个下山的过程。

假设这样一个场景：

一个人被困在山上，需要从山上下来(i.e. 找到山的最低点，也就是山谷)。但此时山上的浓雾很大，导致可视度很低。

因此，下山的路径就无法确定，他必须利用自己周围的信息去找到下山的路径。这个时候，他就可以利用梯度下降算法来帮助自己下山。

具体来说就是，以他当前的所处的位置为基准，寻找这个位置最陡峭的地方，然后朝着山的高度下降的地方走，（同理，如果我们的目标是上山，也就是爬到山顶，那么此时应该是朝着最陡峭的方向往上走）。然后每走一段距离，都反复采用同一个方法，最后就能成功的抵达山谷。

 

梯度下降的基本过程就和下山的场景很类似。

首先，我们有一个可微分的函数。这个函数就代表着一座山。

我们的目标就是找到这个函数的最小值，也就是山底。

根据之前的场景假设，最快的下山的方式就是找到当前位置最陡峭的方向，然后沿着此方向向下走，对应到函数中，就是找到给定点的梯度 ，然后朝着梯度相反的方向，就能让函数值下降的最快！因为梯度的方向就是函数值变化最快的方向。 所以，我们重复利用这个方法，反复求取梯度，最后就能到达局部的最小值，这就类似于我们下山的过程。而求取梯度就确定了最陡峭的方向，也就是场景中测量方向的手段。

2.2.2 梯度的概念

梯度是微积分中一个很重要的概念

​ 在单变量的函数中，梯度其实就是函数的微分，代表着函数在某个给定点的切线的斜率；

​ 在多变量函数中，梯度是一个向量，向量有方向，梯度的方向就指出了函数在给定点的上升最快的方向；

这也就说明了为什么我们需要千方百计的求取梯度！我们需要到达山底，就需要在每一步观测到此时最陡峭的地方，梯度就恰巧告诉了我们这个方向。梯度的方向是函数在给定点上升最快的方向，那么梯度的反方向就是函数在给定点下降最快的方向，这正是我们所需要的。所以我们只要沿着梯度的反方向一直走，就能走到局部的最低点！

2.2.3 梯度下降举例

• 1. 单变量函数的梯度下降**

我们假设有一个单变量的函数 :J(θ) = θ2

函数的微分:J、(θ) = 2θ

初始化，起点为： θ0 = 1

学习率：α = 0.4

我们开始进行梯度下降的迭代计算过程:

 

如图，经过四次的运算，也就是走了四步，基本就抵达了函数的最低点，也就是山底

 

• 2.多变量函数的梯度下降

我们假设有一个目标函数 ：:J(θ) = θ12 + θ22

现在要通过梯度下降法计算这个函数的最小值。我们通过观察就能发现最小值其实就是 (0，0)点。但是接下 来，我们会从梯度下降算法开始一步步计算到这个最小值! 我们假设初始的起点为: θ0 = (1, 3)

初始的学习率为:α = 0.1

函数的梯度为:▽:J(θ) =< 2θ1 ,2θ2>

进行多次迭代:

 我们发现，已经基本靠近函数的最小值点

 

2.2.4 梯度下降（Gradient Descent）公式

 

• 1) α是什么含义？

  α在梯度下降算法中被称作为学习率或者步长，意味着我们可以通过α来控制每一步走的距离，以保证不要步子跨的太大扯着蛋，哈哈，其实就是不要走太快，错过了最低点。同时也要保证不要走的太慢，导致太阳下山了，还没有走到山下。所以α的选择在梯度下降法中往往是很重要的！α不能太大也不能太小，太小的话，可能导致迟迟走不到最低点，太大的话，会导致错过最低点！

• 

   

• 2) 为什么梯度要乘以一个负号？

• 梯度前加一个负号，就意味着朝着梯度相反的方向前进！我们在前文提到，梯度的方向实际就是函数在此点上升最快的方向！而我们需要朝着下降最快的方向走，自然就是负的梯度的方向，所以此处需要加上负号

  我们通过两个图更好理解梯度下降的过程

• 

   

所以有了梯度下降这样一个优化算法，回归就有了"自动学习"的能力

• 优化动态图演示

 

 

3 梯度下降和正规方程的对比

梯度下降	正规方程
需要选择学习率	不需要
需要迭代求解	一次运算得出
特征数量较大可以使用	需要计算方程，时间复杂度高O(n3)

3.1 算法选择依据：

• 小规模数据：
  • 正规方程：LinearRegression(不能解决拟合问题)
  • 岭回归
• 大规模数据：
  • 梯度下降法：SGDRegressor

4 小结

• 损失函数【知道】
  • 最小二乘法
• 线性回归优化方法【知道】
  • 正规方程
  • 梯度下降法
• 正规方程 -- 一蹴而就【知道】
  • 利用矩阵的逆,转置进行一步求解
  • 只是适合样本和特征比较少的情况
• 梯度下降法 — 循序渐进【知道】
  • 梯度的概念
    • 单变量 -- 切线
    • 多变量 -- 向量
  • 梯度下降法中关注的两个参数
    • α -- 就是步长
      • 步长太小 -- 下山太慢
      • 步长太大 -- 容易跳过极小值点(*)
    • 为什么梯度要加一个负号
      • 梯度方向是上升最快方向,负号就是下降最快方向
• 梯度下降法和正规方程选择依据【知道】
  • 小规模数据：
    • 正规方程：LinearRegression(不能解决拟合问题)
    • 岭回归
  • 大规模数据：
    • 梯度下降法：SGDRegressor