机器学习第一周(线性回归模型与代价函数的数学定义)

文章介绍了线性回归模型在房价预测问题中的应用,阐述了如何使用监督学习方法,通过训练集学习假设函数hθ(x),以输入房子大小预测房价。文章还详细讲解了代价函数的概念,即最小化预测值与真实值之间的差异平方和,以找到最佳模型参数θ0和θ1。

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1. 线性回归模型

之前我们讨论过房价预测问题,房价预测实际上是一种回归问题,也就是说我们的目的是得到一个连续值输出,下图是根据房子大小 Size 和 对应的房价 Price 所画出的散点图。
线性回归模型--房价预测问题
现在,我们的问题是输入房子的大小,给出其房价的预测值。很显然,这是一个监督学习的例子,因为我们事先已经知道数据集中不同大小房子的正确房价。
房价数据集
如上图所示,我们现在有一个数据集,它被称为训练集,以住房价格为例,我们有一个房价的训练集,我们的工作就是从这个数据中学习如何预测房价。

其中,符号 m 表示训练样本的数量,在下面的表格中,样本数 m 就是表格的行数;符号 x 表示输入变量或者输入特征,也就是表格中的第一列;符合 y 表示输出变量,也就是我要预测的目标变量,对应于表格中的第二列。

现在,我们使用 (x,y)(x, y)(x,y) 来表示一组训练样本,对应表格中的一行。当我们要表示一个特定的训练样本时,我们使用 (xi,yi)(x^i, y^i)(xi,yi) 来表示第 i 个训练样本,指的是表格中的第 i 行。
监督学习算法的工作流程
上图的描述的是监督学习算法的工作流程,我们首先向学习算法提供训练集,比如说我们的房价训练集,学习算法的任务是输出一个函数,通常用小写 h 来表示,h 表示 假设函数(hypothesis),假设函数 h 的作用就是把房子的大小作为输入变量 x ,它会输出对应的预测值 y,所以 h 是一个引导从 x 到 y 的函数。

在房价预测问题中,我们选择使用线性模型来拟合房价与房子大小的关系,所以对应假设函数的表达式也就是 hθ(x)=θ1∗x+θ0h_θ(x)=θ_1*x+θ_0hθ(x)=θ1x+θ0,预测 y 是关于 x 的线性函数,一般这种模型被称为线性回归,这个例子很显然是一个一元线性回归模型或者单变量线性回归模型。

那么,为什么我们使用线性函数来拟合房价问题呢? 有时候我们会想使用更加复杂的,你如非线性的函数,但是由于这种线性的情况是学习的基础,所以我们将从这个例子开始,先拟合线性函数,然后我们将在这个基础上,最终处理更复杂的模型以及学习更复杂的学习算法。

2、代价函数

训练集
在线性回归中,我们有这样一个训练集,其中hθ(x)h_\theta(x)hθ(x)被称为假设函数,我们将θ0,…,θi\theta_0,…,\theta_iθ0,,θi称为模型参数,我们现在就来讨论,如何选择模型参数。
模型参数的几种取值组合
在上图中,我们给出了几种参数的取值组合,很显然,对于不同的参数,我们会得到不同的假设函数。
训练集
在线性回归中,我们有一个训练集,我们要做的就是得出θ0和θ1\theta_0和\theta_1θ0θ1这两个参数的值,来让假设函数表示的直线尽量地与这些数据点很好的拟合。

那么,我们如何得出θ0和θ1\theta_0和\theta_1θ0θ1的值来使它尽可能的拟合数据呢?

显然,我们的目标是希望得到的参数使预测值越接近真实值越好,即预测值与真实值之间的差异越小越好,如果我们将预测值与真实值之间的差异定义为一个变量的话,则在线性回归中,我们实际要解决的是一个最小化问题。

2.1 代价函数的数学定义

对于房价问题,我们先给出其目标函数
        θ0 θ1minmize\large_{\;\;\;\;\theta_0\,\theta1}^{minmize}θ0θ1minmize 12m\,\Large1\over {2m}2m1 ∑i=1m\large\sum_{i=1}^mi=1m (hθ(xi)−yi)2(h_\theta(x^i)-y^i)^2(hθ(xi)yi)2

其中,hθ(xi)=θ1∗xi+θ0h_θ(x^i)=θ_1*x^i+θ_0hθ(xi)=θ1xi+θ0        θ0 θ1minmize\large_{\;\;\;\;\theta_0\,\theta1}^{minmize}θ0θ1minmize 表示关于θ0和θ1\theta_0和\theta_1θ0θ1的最小化过程。这意味着我们要找到θ0和θ1\theta_0和\theta_1θ0θ1的值来使上述表达式的值最小,很显然,对于确定的训练集而言,xix^ixi的取值是已知的,所以说这个表达式的值会因为θ0和θ1\theta_0和\theta_1θ0θ1的变化而变化。因此,简单的说,我们正在把这个问题变成:找到能使我的训练集中预测值和真实值的差的平方的和的 12m\,\Large1\over {2m}2m1 最小的 θ0和θ1\theta_0和\theta_1θ0θ1的值。显然,这将是我线性回归的整体目标函数。

我们定义一个函数J(θ0,θ1)J(\theta_0,\theta_1)J(θ0,θ1),它的表达式如下:
J(θ0,θ1)=J(\theta_0,\theta_1)=J(θ0,θ1)= 12m\,\Large1\over {2m}2m1 ∑i=1m\large\sum_{i=1}^mi=1m (hθ(xi)−yi)2(h_\theta(x^i)-y^i)^2(hθ(xi)yi)2

那么,现在我们想要做的就是关于 θ0和θ1\theta_0和\theta_1θ0θ1对函数J(θ0,θ1)J(\theta_0,\theta_1)J(θ0,θ1)求最小值,即
        θ0 θ1minmize\large_{\;\;\;\;\theta_0\,\theta1}^{minmize}θ0θ1minmizeJ(θ0,θ1)J(\theta_0,\theta_1)J(θ0,θ1)
这就是代价函数,这个代价函数也可被称为平方误差函数,之所以,我们要求出误差的平方和,是因为平方误差代价函数对于大多数问题,特别是线性回归问题,都是一个合理的选择,当然,我们也有其他的代价函数也能够很好的发挥作用。

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