【机器学习基础】最小二乘与极大似然估计

本文介绍了最小二乘法和极大似然估计。最小二乘法求解未知参数使理论值与观测值误差平方和最小,用于直线拟合和多元线性回归可得到参数解析解。极大似然估计希望从模型中抽取样本概率最大,在线性模型中假定残差服从正态分布时,损失表达式与最小二乘一致。二者形式相同但思考角度不同。

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最小二乘法

最小二乘法是勒让德( A. M. Legendre)于1805年在其著作《计算慧星轨道的新方法》中提出的。它的主要思想就是求解未知参数,使得理论值与观测值之差(即误差,或者说残差)的平方和达到最小:
E=∑mie2=∑mi(yi−y^)2E=\sum_{m}^{i}e^2=\sum_{m}^{i}(y_i-\hat{y})^2E=mie2=mi(yiy^)2
其中,yiy_iyi为观测样本,y^\hat{y}y^为我们的期望值,EEE即为损失函数,在机器学习中,我们通常最小化EEE来确定昌参数。

直线拟合/多元线性回归

对于多元线性函数,有如下表达式:hθ(x1,x2,...,xn)=θ0+θ1x1+...+θnxnh_\theta(x_1,x_2,...,x_n)=\theta_{0}+\theta_{1}x_1+...+\theta_{n}x_nhθ(x1,x2,...,xn)=θ0+θ1x1+...+θnxn
故损失函数可以写成如下形式:J(θ)=12∑i=1m(hθ(x(i))−y(i))2=12tr((Xθ−Y)T(Xθ−Y))J(\theta)=\frac{1}{2}\sum_{i=1}^{m}(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)})^2=\frac{1}{2}tr((X\theta-Y)^T(X\theta-Y))J(θ)=21i=1m(hθ(x(i))y(i))2=21tr((XθY)T(XθY))
note:对标量进行迹的运算不改变运算结果
于是,对θ\thetaθ求偏导:∂J(θ)∂θ=XTXθ−XTY\frac{\partial J(\theta)}{\partial \theta}=X^{T}X\theta-X^{T}YθJ(θ)=XTXθXTY
令偏导为0,得到:θ=(XTX)−1XTY\theta=(X^{T}X)^{-1}X^{T}Yθ=(XTX)1XTY
这样,我们便得到了参数的解析解。需要注意的是,最小二乘法是在假定随机误差项服从标准(均值为0即可)的正态分布的特殊情况,即从极大似然的角度,当假定误差项服从均值为0的正态分布时,损失函数与最小二乘完全一致。下面我们来看看极大似然估计

极大似然估计

现在假设我们有m个样本,我们假设有:
在这里插入图片描述
假定误差项服从正态分布,我们有:
在这里插入图片描述
即有:
在这里插入图片描述
那么我们可以写成似然函数:
在这里插入图片描述
由极大似然估计的定义,我们需要L(θ)L(\theta)L(θ)最大,那么我们怎么才能是的这个值最大呢?两边取对数对这个表达式进行化简如下:
在这里插入图片描述
需要 l(θ)l(\theta)l(θ)最大,也即最后一项的后半部分最小,也即:
在这里插入图片描述
可以看到,损失函数的表达形式与最小二乘完全一致,我们可以直接求偏导得到解析解或利用梯度下降得到全局最优(表达式为凸函数)。

总结

最小二乘和极大似然虽然在形式上一致(损失函数相同),但思考的角度并不一致。

  • 最小二乘法从模型拟合的角度出发,利用残差平方和来衡量拟合的优劣
  • 极大似然估计希望从模型中抽取mmm个样本的概率最大,即似然函数最大。因此,极大似然估计需要知道参数分布,在线性模型中,一般假定残差项服从均值为0的正态分布,此时得到的损失表达式与最小二乘一致。
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