矩阵求导阶最小二乘法的推导

本文深入探讨了最小二乘法原理及其在解决线性模型中的应用,包括求解误差最小平方和的数学方法,以及如何通过矩阵求导找到高效解。介绍了线性回归的目标,即使用线性函数拟合数据并达到最小平方差,同时概述了几种迭代法,如梯度下降法和牛顿法,在非线性最小二乘问题中的应用。

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最小二乘法的目标:求误差的最小平方和。对应有两种模型:线性模型和非线性模型。如果矩阵是可逆的,线性模型最小二乘的解是closed-form(闭式解)即

而非线性最小二乘没有closed-form(闭式解),通常用迭代法求解。其中有很多比较有名的迭代法,如梯度下降法(又分为批梯度下降、随机梯度下降)、牛顿法、拟牛顿法等,它们的应用条件更为广泛(无约束),都是通过迭代更新来逐步进行的参数优化方法,最终结果为局部最优。如果优化的函数是凸函数,极小值点即最小值点,存在全局最优解。对于这几种方法,这里不展开介绍。本文主要对以上公式给予证明。

线性回归就是用一个线性函数对已知数据进行拟合,最终得到一个线性函数,使这个函数满足我们的要求(如具有最小平方差,随后我们将定义一个代价函数,使这个目标量化),之后我们可以利用这个函数,对给定的输入进行预测。如下图所示:

假设拟合函数具有如下形式

如何高效的求解θ是学习的重点。

矩阵求导解最小二乘法

从上一篇文章我们知道求解拟合函数,可以通过最小二乘法求解。这篇文章主要介绍多维空间下如何基于矩阵求导来计算,这种计算方式更加简洁高效,不需要大量迭代,只需解一个正规方程组。

基本理论

在开始之前,首先来认识一个概念和一些用到的定理。矩阵的迹定义如下:一个的矩阵的迹是指的主对角线上各元素的总和,记作tr(A)。即

根据最小二乘法理论可得

Happy enjoy it ^_^

<think>好的,我现在需要帮助用户理解最小二乘法的数学推导过程。首先,我得回顾一下用户提供的引用资料,确保我的回答准确且符合他们提到的内容。用户引用了三篇关于最小二乘法的文章,其中提到了误差分析、最大似然估计、高斯分布以及最小二乘法的原理和推导过程。 首先,我应该从问题背景开始,解释什么是最小二乘法和它的应用场景,尤其是在线性回归中的应用。然后,按照用户提供的引用内容,特别是引用[3]中提到的误差分析和高斯分布的部分,可能需要从概率的角度出发,使用最大似然估计来推导最小二乘法。 接下来,我需要分步骤来推导。可能需要先建立线性回归模型,假设误差服从正态分布,然后写出似然函数,再通过对数转换将乘积转化为求和,最后通过求导找到最小化误差平方和的解,即正规方程。这过程中需要确保数学符号的正确性,比如使用$y = X\beta + \epsilon$这样的矩阵形式,并正确应用LaTeX格式。 同时,用户要求生成相关问题,我需要根据内容提出几个相关的问题,例如最小二乘法与极大似然估计的关系,或者如何处理多重共线性问题。这些问题应该能够帮助用户进一步深入学习。 需要注意用户提到的系统级指令,特别是数学表达式必须用$...$或$$...$$格式,中文回答,以及引用标识的正确添加。例如,在解释误差的高斯分布时,需要引用[^3],而在讨论最小二乘法的优化目标时引用[^2]。 还需要检查LaTeX语法是否正确,比如积分符号、上下标、矩阵表示等是否正确。例如,矩阵转置符号应该是$X^T$,求导后的方程应该是$\frac{\partial L}{\partial \beta} = -2X^T(y - X\beta) = 0$,确保这些公式正确无误。 最后,确保回答结构清晰,分步骤讲解推导过程,并在末尾自然地列出相关问题。同时,引用标识要对应到正确的参考文献,避免混淆。</think>### 最小二乘法的数学推导过程 #### 一、问题背景 最小二乘法是机器学习中用于线性回归参数估计的核心方法,其目标是通过最小化预测值与真实值之间的误差平方和,找到最优模型参数[^1]。 #### 二、推导步骤 1. **建立线性模型** 假设有数据集$(X,y)$,线性回归模型表示为: $$ y = X\beta + \epsilon $$ 其中$X$是$n \times m$特征矩阵,$\beta$是参数向量,$\epsilon$是误差项。 2. **误差分布假设** 假设误差$\epsilon_i$服从独立同分布的高斯分布: $$ \epsilon_i \sim N(0, \sigma^2) $$ 这等价于概率密度函数: $$ p(\epsilon_i) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}e^{-\frac{\epsilon_i^2}{2\sigma^2}} $$ 3. **构建似然函数** 通过最大似然估计,联合概率密度可表示为: $$ L(\beta) = \prod_{i=1}^n \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}e^{-\frac{(y_i - X_i\beta)^2}{2\sigma^2}} $$ 4. **对数似然转换** 取对数将乘积转为求和: $$ \ln L(\beta) = -\frac{n}{2}\ln(2\pi\sigma^2) - \frac{1}{2\sigma^2}\sum_{i=1}^n(y_i - X_i\beta)^2 $$ 5. **优化目标函数** 最大化对数似然等价于最小化: $$ \min_\beta \sum_{i=1}^n(y_i - X_i\beta)^2 $$ 写成矩阵形式即: $$ \min_\beta \|y - X\beta\|^2 $$ 6. **求解参数$\beta$** 展开目标函数: $$ L = (y - X\beta)^T(y - X\beta) $$ 对$\beta$求导并令导数为零: $$ \frac{\partial L}{\partial \beta} = -2X^T(y - X\beta) = 0 $$ 得到正规方程: $$ X^TX\beta = X^Ty $$ 最终解为: $$ \hat{\beta} = (X^TX)^{-1}X^Ty $$ #### 三、核心思想 通过最小化误差平方和,最小二乘法找到了数据在特征空间中的最佳线性拟合。当$X^TX$可逆时,该解具有闭合表达式,这也是其被广泛应用的重要原因。
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