线性回归

先从回归(Regression)问题说起。我在本吧已经看到不少人提到如果想实现强AI，就必须让机器学会观察并总结规律的言论。具体地说，要让机器观察什么是圆的，什么是方的，区分各种颜色和形状，然后根据这些特征对某种事物进行分类或预测。其实这就是回归问题。 

如何解决回归问题？我们用眼睛看到某样东西，可以一下子看出它的一些基本特征。可是计算机呢？它看到的只是一堆数字而已，因此要让机器从事物的特征中找到规律，其实是一个如何在数字中找规律的问题。 




例：假如有一串数字，已知前六个是1、3、5、7，9，11，请问第七个是几？
你一眼能看出来，是13。对，这串数字之间有明显的数学规律，都是奇数，而且是按顺序排列的。
那么这个呢？前六个是0.14、0.57、1.29、2.29、3.57、5.14，请问第七个是几？
这个就不那么容易看出来了吧！我们把这几个数字在坐标轴上标识一下，可以看到如下图形：



用曲线连接这几个点，延着曲线的走势，可以推算出第七个数字——7。
由此可见，回归问题其实是个曲线拟合(Curve Fitting)问题。那么究竟该如何拟合？机器不可能像你一样，凭感觉随手画一下就拟合了，它必须要通过某种算法才行。

假设有一堆按一定规律分布的样本点，下面我以拟合直线为例，说说这种算法的原理。 

其实很简单，先随意画一条直线，然后不断旋转它。每转一下，就分别计算一下每个样本点和直线上对应点的距离(误差)，求出所有点的误差之和。这样不断旋转，当误差之和达到最小时，停止旋转。说得再复杂点，在旋转的过程中，还要不断平移这条直线，这样不断调整，直到误差最小时为止。这种方法就是著名的梯度下降法(Gradient Descent)。为什么是梯度下降呢？在旋转的过程中，当误差越来越小时，旋转或移动的量也跟着逐渐变小，当误差小于某个很小的数，例如0.0001时，我们就可以收工(收敛, Converge)了。啰嗦一句，如果随便转，转过头了再往回转，那就不是梯度下降法。 

我们知道，直线的公式是y=kx+b，k代表斜率，b代表偏移值(y轴上的截距)。也就是说，k可以控制直线的旋转角度，b可以控制直线的移动。强调一下，梯度下降法的实质是不断的修改k、b这两个参数值，使最终的误差达到最小。 
求误差时使用 累加(直线点-样本点)^2，这样比直接求差距 累加(直线点-样本点) 的效果要好。这种利用最小化误差的平方和来解决回归问题的方法叫最小二乘法(Least Square Method)。 



问题到此使似乎就已经解决了，可是我们需要一种适应于各种曲线拟合的方法，所以还需要继续深入研究。 
我们根据拟合直线不断旋转的角度(斜率)和拟合的误差画一条函数曲线，如图： 

从图中可以看出，误差的函数曲线是个二次曲线，凸函数(下凸, Convex)，像个碗的形状，最小值位于碗的最下端。如果在曲线的最底端画一条切线，那么这条切线一定是水平的，在图中可以把横坐标轴看成是这条切线。如果能求出曲线上每个点的切线，就能得到切线位于水平状态时，即切线斜率等于0时的坐标值，这个坐标值就是我们要求的误差最小值和最终的拟合直线的最终斜率。 
这样，梯度下降的问题集中到了切线的旋转上。切线旋转至水平时，切线斜率=0，误差降至最小值。 



切线每次旋转的幅度叫做学习率(Learning Rate)，加大学习率会加快拟合速度，但是如果调得太大会导致切线旋转过度而无法收敛。 

注意：对于凹凸不平的误差函数曲线，梯度下降时有可能陷入局部最优解。下图的曲线中有两个坑，切线有可能在第一个坑的最底部趋于水平。 

微分就是专门求曲线切线的工具，求出的切线斜率叫做导数(Derivative)，用dy/dx或f'(x)表示。扩展到多变量的应用，如果要同时求多个曲线的切线，那么其中某个切线的斜率就叫偏导数(Partial Derivative)，用∂y/∂x表示，∂读“偏(partial)”。由于实际应用中，我们一般都是对多变量进行处理，我在后面提到的导数也都是指偏导数。

以上是线性回归(Linear Regression)的基本内容，以此方法为基础，把直线公式改为曲线公式，还可以扩展出二次回归、三次回归、多项式回归等多种曲线回归。下图是Excel的回归分析功能。


在多数情况下，曲线回归会比直线回归更精确，但它也增加了拟合的复杂程度。


直线方程y=kx+b改为二次曲线方程y=ax^2+bx+c时，参数(Parameter)由2个(分别是k、b)变为3个(分别是a、b、c)，特征(Feature)由1个(x)变为2个(x^2和x)。三次曲线和复杂的多项式回归会增加更多的参数和特征。


前面讲的是总结一串数字的规律，现实生活中我们往往要根据多个特征(多串数字)来分析一件事情，每个原始特征我们都看作是一个维度(Dimension)。例如一个学生的学习成绩好坏要根据语文、数学、英语等多门课程的分数来综合判断，这里每门课程都是一个维度。当使用二次曲线和多变量(多维)拟合的情况下，特征的数量会剧增，特征数=维度^2/2 这个公式可以大概计算出特征增加的情况，例如一个100维的数据，二次多项式拟合后，特征会增加到100*100/2=5000个。


下面是一张50*50像素的灰度图片，如果用二次多项式拟合的话，它有多少个特征呢？——大约有3百万！


它的维度是50*50=2500，特征数=2500*2500/2=3,125,000。如果是彩色图片，维度会增加到原来的3倍，那么特征数将增加到接近3千万了！


这么小的一张图片，就有这么巨大的特征量，可以想像一下我们的数码相机拍下来的照片会有多大的特征量！而我们要做的是从十万乃至亿万张这样的图片中找规律，这可能吗？
很显然，前面的那些回归方法已经不够用了，我们急需找到一种数学模型，能够在此基础上不断减少特征，降低维度。


于是，“人工神经网络(ANN, Artificial Neural Network)”就在这样苛刻的条件下粉墨登场了，神经科学的研究成果为机器学习领域开辟了广阔的道路。