L1、L2正则化的原理和目的

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### L1 L2 正则化的数学原理 #### 定义与形式 在机器学习中,为了防止模型过拟合并提高泛化能力,在损失函数基础上加入正则化项是一种常见做法。具体来说: - **L1 正则化**通过向损失函数添加绝对值惩罚因子 \(\sum |w_i|\),其中 \(w_i\) 表示权重参数[^2]。 对应的优化目标变为最小化下述表达式: \[ J(w) = E_{in}(w)+\lambda \|w\|_1=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}[y(x_n)-f(x_n)]^2+\lambda\sum_{j}|w_j| \] - **L2 正则化**则是通过对所有权重平方求再乘以一个小常数 λ 实现,即 \(\sum w_i^2\) 形式的二次型约束[^4]。 这样一来,新的成本函数表示如下: \[ J(w)=E_{in}(w)+\lambda \|w\|^2_2=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}[y(x_n)-f(x_n)]^2+\lambda\sum_{j}w_j^2 \] #### 几何解释 从几何角度看,这两种正则化方式对应着不同形状的可行域边界。对于给定相同的误差表面(Ein),两者寻找最优解的方式有所不同: - 使用 L1 正则化时,由于其形成的决策面为菱形或多边形结构,这增加了坐标轴方向上的尖角处找到最佳解的可能性,因此更容易产生稀疏解——部分维度上的权值被压缩至零[^5]。 - 而采用 L2 正则化,则会形成圆形或椭球体状的限制空间;因为这些图形较为光滑且无明显棱角,所以最终获得的结果倾向于使各个分量都保持较小而非完全消失的状态。 #### 特征选择机制 基于上述差异,L1 正则化能够实现自动特征筛选的效果,即将不重要的变量对应的系数设为0,从而简化了原始输入数据集中的冗余信息[^3]。相比之下,尽管 L2 不具备同样的显式降维功能,但它依然有助于缓解多重共线性其他可能导致数值不稳定性的因素。 ```python import numpy as np from sklearn.linear_model import Lasso, Ridge # 创建模拟数据 X = np.random.rand(100, 5) y = X[:, 0]*2 + X[:, 1]*(-3) + np.random.randn(100) # 应用L1正则化(Lasso) lasso_reg = Lasso(alpha=0.1).fit(X, y) # 应用L2正则化(Ridge) ridge_reg = Ridge(alpha=1.0).fit(X, y) ```
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