[笔记]机器学习(Machine Learning) - 01.线性回归(Linear Regression)

线性回归属于回归问题。对于回归问题，解决流程为：
给定数据集中每个样本及其正确答案，选择一个模型函数h（hypothesis，假设），并为h找到适应数据的（未必是全局）最优解，即找出最优解下的h的参数。这里给定的数据集取名叫训练集（Training Set）。不能所有数据都拿来训练，要留一部分验证模型好不好使，这点以后说。先列举几个几个典型的模型：

最基本的单变量线性回归：
形如h(x)=theta0+theta1*x1

多变量线性回归：
形如h(x)=theta0+theta1*x1+theta2*x2+theta3*x3

多项式回归（Polynomial Regression）：
形如h(x)=theta0+theta1*x1+theta2*(x2^2)+theta3*(x3^3)
或者h(x)=ttheta0+theta1*x1+theta2*sqr(x2)
但是我们可以令x2=x2^2，x3=x3^3，于是又将其转化为了线性回归模型。虽然不能说多项式回归问题属于线性回归问题，但是一般我们就是这么做的。

所以最终通用表达式就是：

不用在意图片h(x)中间夹的theta字符，只是一个习惯而已，不写theta也可以的。还有我不知道怎么在博客里输入theta那些字符，凑合着看。

1.代价函数（Cost Function）

计算建立的模型对真实数据的误差，叫建模误差（Modeling Error）。误差越低，模型对数据拟合度越高。例如给出：
m：训练集的样本个数
n：训练集的特征个数（通常每行数据为一个x(0)=1与n个x(i) (i from 1 to n)构成，所以一般都会将x最左侧加一列“1”，变成n+1个特征）
x：训练集（可含有任意多个特征，二维矩阵，行数m，列数n+1，即x0=1与原训练集结合）
y：训练集对应的正确答案（m维向量，也就是长度为m的一维数组）
h(x)：我们确定的模型对应的函数（返回m维向量）
theta：h的初始参数（常为随机生成。n+1维向量）

得代价函数J(theta)：

（图中等号左侧的theta0,theta1…thetan以后直接用向量theta表示。）

有了代价函数，我们的目的就是找到一组参数theta使得代价最小，稍有常识的人就能知道，这个函数肯定是有最小值的，不会出现负无穷下面两个标题就是讲了最小化J(theta)的两个方法。

2.正规方程（Normal Equation）

吴恩达老师这个是放在最后讲的，但是对于中国学生，我觉得其实这个先讲反而更好。
正规方程是针对某些线性回归问题的方案，例如对于我们熟知的

要把上面的代价方程找出theta最小值，本质上就是二次函数嘛。我们直接求导计算导数为0处即为最小值。求解theta轻轻松松一步到位。同样对于多参数的线性回归，只要求偏导即可获得每个theta值到达全局最优解。。
那么现在在矩阵中，假设我们的训练集矩阵为X，“正确答案”为y，则theta可以如上面所说的各自求偏导数直接求出。但是直接这样做非常耗时，因此数学家由此推导出了更好的方法：

这个公式本质就是从上面求导这一方法推导出来的。推导过程：https://zhuanlan.zhihu.com/p/22474562

当然很显然的是，如果矩阵不可逆就不能用这个方案了（出现这个情况的原因可能是1.各个特征不独立、有关联，比如出现了重量和质量两个特征（至少在同一个地方两者完全成比例）；2.特征数量大于所给训练集样本个数）。

3.（批量）梯度下降算法（(Batch) Gradient Descent）

上述方法简单易使用但是局限高，而梯度下降算法使用更广泛更通用。当然这个算法放到现在也有人说它过时了，但还是很有必要学习个。
先定下一组预设参数，通常可以是随机生成的，不断微调h的参数直到达到代价J的局部最小值（Local Minimum）。因此此算法并不一定能找到全局最小值（Global Minimum）。根据初始theta选择的不同可能找到不同局部最小值、导致不同结果。下图很形象的表现了这一点。

具体实现：我们循环以下算法直到到达局部最小值。

• alpha是学习率(Learning Rate)，其大小决定了每次循环中theta改变的大小，决定了梯度下降步子迈多大。寻找alpha很关键。alpha小了，每次循环步子也迈的小，要很多步才能到达最低点，速度慢。alpha太大了，可能一下就迈过头了，越过了最低点，并不断一次次越过来越过去就是下不来，太大了甚至可能导致循环无法收敛、甚至发散。

• 可以看出，随着算法越来越接近局部最小值，J’越小，下降速度越慢，因此alpha只需是个定值，无需在靠近最小值时一起减小alpha。

• 注意（FBI Warning），每个theta i必须是同步变换，即不能修改了theta1为新计算得的值后再计算要修改的theta2，这样计算出的theta2是基于是修改后的theta1而得到的。因此要计算出全部新theta后统一赋值。

• 该梯度下降算法有时也被称为批量梯度下降。“批量”指的是在梯度下降的每一步中,我们都用到了所有的训练样本。

线性回归上运用梯度下降

按照梯度下降要求求得代价方程J的导数J’（为了方便书写记J的导数为J’），而对于线性回归模型的J方程上面已经给出，所以将J求导带入，得到：

将求导部分求出来，即：

其中

特征缩放（Feature Scaling）

以房价为例子，现在假设房子价格只受房屋的尺寸（对应theta1）和房间的数量（theta2）影响，房子尺寸的值为 0-2000 平方英尺，而房间数量的值是 0-5，以两个参数为横纵坐标绘图，可以看出图像很扁，梯度下降算法需要非常多次迭代才能收敛。

具体为什么会导致迭代很多次，老师的解释是根据图来的，虽然很直观但是根本原因他没说清楚，现在分析下来我认为原因在于，梯度下降时，alpha对于每个参数都是一样的（现在假定alpha为1），则根据最终得到的算法（“Repeat”里面那行），alpha、1/m、h(xi)-y(i)都是一样的，不一样的只有xj(i)（上标下标不会打，凑合着看），那么对于房屋尺寸，尺寸都上千了，数值很大，则theta1的变化也很大，因此对于theta1，alpha太大了，看那张草图，已经导致了越过最小值的情况。而对于theta2呢，房间一共不会超过5，因此对于theta2，alpha太小了，每次就靠近最小值一点点。

这时候我们就需要特征缩放，把所有参数缩放到-1～1的范围，让alpha适应每个参数，每个参数每次的变化都相当。

具体实施就是令
其中u是平均值，s是标准差。把每个数据都如上修改范围，相当于预处理，这样可以对后面线性回归有帮助。而对于多项式回归模型，在运行梯度下降算法前,特征缩放就显得更有必要了。

其实我个人觉得给每个参数分配一个alpha也是可行的一种方案，不过仔细想想，这样的确实麻烦了点，因为找出合适的alpha不是那么容易的事情。

学习率alpha的选择

上面说到了，alpha太大，步子大了容易扯到蛋，可能导致越过最小值甚至无法收敛；alpha小了又显得娘炮，太慢了。
通常可以考虑尝试这些学习率：α=0.01,0.03,0.1,0.3,1,3,10，多试一试找出比较好的。

局部最优解还是全局最优解

之前也明确说了，梯度下降不一定能获得全局最优解，但是网上那么多教程、博客还是写的很混乱，或者说非常不严谨，都说“到达全局最小值”；包括在吴恩达老师的视频里，也不是描述的很清爽。搞得我很懵。所以问题是，梯度下降用来求最优解，哪些问题可以求得全局最优？哪些问题可能获得局部最优解？
如果函数图像只有一个凹坑，像吴大大视频里的例子全都是一个峰的，那梯度下降最终求得的肯定是全局最优解，应该说获得的局部最优解就是全局最优解。然而对于有多个凹坑的问题，梯度下降获得的局部最优解很有可能的最终结果不是全局最优。对于线性回归问题这也是一样的，网上看到有人说线性回归问题只有一个全局最小值没有局部最小值，感觉这不对，我记得吴恩达老师有说过线性回归也可以有极小值存在的。先mark，等我验证后更新。
但是正规方程呢？当有多个极小值时他一定会返回最小值吗？这点我也不清楚，但是按照周志华老师的机器学习的书上说，当特征数量大于所给训练集样本个数时使用正规方程，会得到多个解，而具体返回哪个解就看算法的选择了。

4.正规方程、梯度下降的选择、比较

梯度下降 正规方程 需要选择学习率 α 不需要 需要多次迭代 一次运算得出 当特征数量 n 大时也能较好适用 需要计算(X.T X)^-1。如果特征数量 n 较大则运算代价大,因为矩阵逆的计算时间复杂度为 O(n 3 ),通常来说当 n 小于 10000 时还是可以接受的 适用于各种类型的模型 只适用于线性模型,不适合逻辑回归模型等其他模型

总结一下,只要特征变量的数目并不大,标准方程是一个很好的计算参数 θ 的替代方法。具体地说,只要特征变量数量小于一万,我通常使用标准方程法,而不使用梯度下降法。
随着我们要讲的学习算法越来越复杂,例如,当我们讲到分类算法,像逻辑回归算法,我们会看到, 实际上对于那些算法,并不能使用标准方程法。对于那些更复杂的学习算法,我们将不得不仍然使用梯度下降法。因此,梯度下降法是一个非常有用的算法,可以用在有大量特征变量的线性回归问题。或者我们以后在课程中,会讲到的一些其他的算法,因为标准方程法不适合或者不能用在它们上。但对于这个特定的线性回归模型,标准方程法是一个比梯度下降法更快的替代算法。所以,根据具体的问题,以及你的特征变量的数量,这两种算法都是值得学习的。

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补充：

5.随机梯度下降算法（Stochastic Gradient Descent）

普通的梯度下降算法更新一次theta需要载入所有样本，也就是说一次更新的计算量为m*n^2（m为样本数量，n为参数数量）。这样如果m 非常大，我们需要把所有样本都载入，才能更新一次参数theta，更新一次theta的时间太久了。
而随机梯度下降算法是每次只取一个样本，马上就更新theta。

也就是说，每次更新theta的计算量为n^2，当m很大的时候，随机梯度下降迭代一次的速度要远高于梯度下降。
当然有弊有利，利就是更新速度很快，弊就是梯度下降的方向不稳。虽然大致方向上还是向着最低点的，但是一路上都在来回移动。要知道毕竟一套参数不能完全满足所有样本，而每个样本都试图将参数向自己方向靠。（说起来这样不应该很可能没法收敛吗？最后会不会一直在最优解附近游荡。）