最小二乘法,线性回归

线性回归的目的就是根据一组给定的数据,找出一个线性方程,这个线性方程要满足的条件是:由该方程算出的值与给定的实际值的方差和最小,即下图公式中的Q值最小

线性方程:

线性回归就是用给定的数据yi和xi算出参数w和b



### 一元线性回归中的最小二乘法 在解决一元线性回归问题时,最小二乘法被广泛采用,其目标是通过最小化观测值与预测值之间的误差平方和来找到最佳拟合直线。具体而言,设拟合直线的公式为 $ y = wx + b $,其中 $ w $ 表示斜率,$ b $ 表示截距,通过调整这两个参数使得所有数据点到该直线的垂直距离的平方和最小化,从而实现最佳拟合。 ### 多元线性回归中的最小二乘法 对于多元线性回归问题,最小二乘法同样适用,其模型可以表示为 $ y = \beta_0 + \beta_1 x_1 + \beta_2 x_2 + \cdots + \beta_p x_p $。此时,目标仍然是最小化预测值与实际观测值之间的误差平方和。具体来说,通过定义代价函数 $ J(w) = \frac{1}{2} \sum_{i=1}^n (w_0 + w_1 x_1^{(i)} + w_2 x_2^{(i)} + \cdots + w_k x_k^{(i)} - y^{(i)})^2 $,利用导的方法找到使该函数最小的参数组合。 ### 最小二乘法的数学推导 在最小二乘法中,代价函数 $ J(w) $ 的最小值可以通过计算偏导数并令其等于零来解。对于每一个参数 $ w_j $,计算其对应的偏导数 $ \frac{\partial J(w)}{\partial w_j} $,然后解出所有偏导数为零时的参数值,这组参数值即为最优解。这种方法确保了误差平方和达到最小,同时也为模型提供了最优的拟合效果。 ### 最小二乘法的应用 最小二乘法不仅限于理论推导,它在实际问题中也有广泛的应用。例如,在经济学中用于预测经济指标,在工程学中用于系统建模,在社会科学中用于数据分析等。此外,最小二乘法还被用于拟合非线性模型,通过将非线性问题线性化后进行解。 ### 最小二乘法的实现 在实际编程中,最小二乘法可以通过多种工具实现,例如使用 Python 的 `statsmodels` 库中的 `OLS` 方法进行线性回归拟合。以下是一个简单的代码示例: ```python import statsmodels.api as sm # 假设 x_with_intercept 是包含截距项的特征矩阵,y 是因变量 model = sm.OLS(y, x_with_intercept) # OLS 要大写,因变量在前 results = model.fit() print(results.summary()) ``` 上述代码展示了如何利用 `statsmodels` 库中的 `OLS` 函数来拟合一个线性回归模型,并输出模型的详细统计信息。
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