机器学习(西瓜书)之一元线性回归公式推导

本文详细解析了一元线性回归模型中参数求解的过程,从最小二乘法出发,逐步推导出了偏置项b和权重ω的计算公式,并证明了损失函数的凸性。

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一元线性回归公式推导

1.求解偏置b的公式推导思路:由最小二乘法导出损失函数E(ω,b)E( \omega, b )E(ω,b)—>证明损失函数E(ω,b)E( \omega, b )E(ω,b) 是关于wwwbbb的凸函数—>对损失函数E(ω,b)E( \omega, b)E(ω,b)关于bbb求一阶偏导数—>令一阶偏导数等于000解出bbb
由最小二乘法导出损失函数E(ω,b)E( \omega, b)E(ω,b):

E(w,b)=∑i=1m(yi−f(xi))2=∑i=1m(yi−(ωxi+b))2=∑i=1m(yi−ωxi−b)2(p54.3.4)E_{(w,b)}=\sum^{m}_{i = 1}(y_i-f(x_i))^2=\sum^{m}_{i = 1}(y_i-(\omega x_i+b))^2=\sum^{m}_{i = 1}(y_i-\omega x_i-b)^2 \tag{$ p_{54}.3.4$} E(w,b)=i=1m(yif(xi))2=i=1m(yi(ωxi+b))2=i=1m(yiωxib)2(p54.3.4)

证明损失函数E(ω,b)E(\omega, b)E(ω,b)是关于ω\omegaωbbb的凸函数—— 求:A=fxx〞(x,y)A=f_{xx}^{ 〞}(x,y)A=fxx(x,y)

∂E(w,b)∂ω=∂∂ω[∑i=1m(yi−ωxi−b)2]=∑i=1m∂∂ω(yi−ωxi−b)2=∑i=1m2⋅(yi−ωxi−b)⋅(−xi)=2(ω∑i=1mxi2−∑i=1m(yi−b)xi) \frac{\partial E_{(w,b)}}{\partial \omega} =\frac{\partial }{\partial \omega} [\sum^{m}_{i = 1}(y_i-\omega x_i-b)^2] =\sum^{m}_{i = 1}\frac{\partial }{\partial \omega} (y_i-\omega x_i-b)^2 =\sum^{m}_{i = 1}2·(y_i-\omega x_i-b)·(-x_i) =2(\omega\sum^{m}_{i = 1}x_i ^2-\sum^{m}_{i = 1}(y_i-b)x_i) ωE(w,b)=ω[i=1m(yiωxib)2]=i=1mω(yiωxib)2=i=1m2(yiωxib)xi=2(ωi=1mxi2i=1m(yib)xi)上式即为即为(3.5)

A=fxx〞(x,y)=∂2E(ω,b)∂ω2=∂∂ω(∑i=1m∂E(w,b)∂ω)=∂∂ω[2(ω∑i=1mxi2−∑i=1m(yi−b)xi)]=∂∂ω[2ω∑i=1mxi2]=2∑i=1mxi2A=f_{xx}^{ 〞}(x,y)= \frac{\partial^2E_{(\omega,b)}}{\partial \omega^2} =\frac{\partial }{\partial \omega} (\sum^{m}_{i = 1}\frac{\partial E_{(w,b)}}{\partial \omega} ) =\frac{\partial }{\partial \omega}[2(\omega\sum^{m}_{i = 1}x_i ^2-\sum^{m}_{i = 1}(y_i-b)x_i)] =\frac{\partial }{\partial \omega}[2\omega\sum^{m}_{i = 1}x_i ^2] =2\sum^{m}_{i = 1}x_i ^2 A=fxx(x,y)=ω22E(ω,b)=ω(i=1mωE(w,b))=ω[2(ωi=1mxi2i=1m(yib)xi)]=ω[2ωi=1mxi2]=2i=1mxi2

求:B=fxy〞(x,y)B=f_{xy}^{ 〞}(x,y)B=fxy(x,y)

B=fxy〞(x,y)=∂2E(ω,b)∂ω∂b=∂∂b(∂E(w,b)∂ω)=∂∂b[2(ω∑i=1mxi2−∑i=1m(yi−b)xi)]=∂∂b[−2∑i=1m(yi−b)xi)]=2∑i=1mxiB=f_{xy}^{ 〞}(x,y)= \frac{\partial^2E_{(\omega,b)}}{\partial \omega\partial b} =\frac{\partial }{\partial b} ( \frac{\partial E_{(w,b)}}{\partial \omega} ) =\frac{\partial }{\partial b} [2(\omega\sum^{m}_{i = 1}x_i ^2-\sum^{m}_{i = 1}(y_i-b)x_i)] =\frac{\partial }{\partial b}[-2\sum^{m}_{i = 1}(y_i-b)x_i)] =2\sum^{m}_{i = 1}x_iB=fxy(x,y)=ωb2E(ω,b)=b(ωE(w,b))=b[2(ωi=1mxi2i=1m(yib)xi)]=b[2i=1m(yib)xi)]=2i=1mxi

求:C=fyy〞(x,y)C=f_{yy}^{ 〞}(x,y)C=fyy(x,y)

∂E(w,b)∂b=∂∂b[∑i=1m(yi−ωxi−b)2]=∑i=1m∂∂b(yi−ωxi−b)2=∑i=1m2⋅(yi−ωxi−b)⋅(−1)=2(mb−∑i=1m(yi−ωxi)) \frac{\partial E_{(w,b)}}{\partial b} = \frac{\partial }{\partial b}[\sum^{m}_{i = 1} (y_i-\omega x_i-b)^2] =\sum^{m}_{i = 1}\frac{\partial }{\partial b} (y_i-\omega x_i-b)^2 =\sum^{m}_{i = 1}2·(y_i-\omega x_i-b)·(-1) =2(mb-\sum^{m}_{i = 1}(y_i-\omega x_i))bE(w,b)=b[i=1m(yiωxib)2]=i=1mb(yiωxib)2=i=1m2(yiωxib)1=2(mbi=1m(yiωxi))上式即为即为(3.6)

所以

在这里插入图片描述

也即损失函数E(ω,b)E(\omega, b)E(ω,b) 是关于ω\omegaωbbb的凸函数得证
对损失函数E(ω,b)E(\omega, b)E(ω,b) 关于b求一阶偏导数:在这里插入图片描述
令一阶偏导数等于 0 解出b:在这里插入图片描述
2.求解权重ω,\omega,ω,的公式推导思路:对损失函数E(ω,b)E( \omega, b)E(ω,b)关于ω\omegaω求一阶偏导数—>令一阶偏导数等于000解出ω\omegaω
令一阶偏导数等于 0 解出ω\omegaω在这里插入图片描述

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

3.将ω\omegaω向量化:

在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述

数学知识—二元函数判断凹凸性:在这里插入图片描述
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