机器学习算法1_线性回归

最新推荐文章于 2025-07-26 17:22:28 发布

原创最新推荐文章于 2025-07-26 17:22:28 发布 · 679 阅读

5 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#机器学习

Machine Learning 同时被 2 个专栏收录

37 篇文章

订阅专栏

机器学习

14 篇文章

订阅专栏

本文详细介绍了线性回归的概念、推导方法，包括线性回归方程、平方损失函数及其求解，重点讲解了最小二乘法的代数和矩阵求解方式。同时讨论了线性回归在sklearn中的应用、优缺点，以及与其他回归方法如Ridge、Lasso的联系。此外，文章还提出了关于最小二乘法算法复杂度分析、sklearn中不同回归模型结果对比等相关疑问。

1 线性回归

1.1 概念

利用称为线性回归方程的最小二乘函数对 一个或者多个自变量 和 因变量 之间关系进行建模的一种回归分析。
主要应用于对连续值的预测，例如股票的价格、房价的趋势等

1.2 推导方法

1.2.1 模型 - 线性回归方程

$w_0 + w_1x \tag{1}$

1.2.2 目标函数 - 平方损失函数

一个数据点为 ( $x_{i}$ , $y_{i}$ ) 的误差：
$y_{i}-(w_0 + w_1x_{i}) \tag2$
误差损失总和「残差」：
$\sum\limits_{i = 1}^n {{{(y_{i}-(w_0 + w_1x_{i}))}}} \tag3$

在线性回归中，使用残差的平方和来表示所有样本点的误差「平方损失函数」：
$\sum\limits_{i = 1}^n {{{(y_{i}-(w_0 + w_1x_{i}))}}^2} \tag4$

1.2.3 求解方法

1.2.3.1 最小二乘法 - 代数求解（一元）

平方损失函数为：
$\sum\limits_{i = 1}^n {{{(y_{i}-(w_0 + w_1x_{i}))}}^2} \tag5$
我们的目标是求取平方损失函数 $m i n (f)$ 最小时，对应的 $w$ 。首先求 $f$ 的 1 阶偏导数：
$\frac{\partial f}{\partial w_{0}}=-2(\sum_{i=1}^{n}{y_i}-nw_{0}-w_{1}\sum_{i=1}^{n}{x_i})\\ \frac{\partial f}{\partial w_{1}}=-2(\sum_{i=1}^{n}{x_iy_i}-w_{0}\sum_{i=1}^{n}{x_i}-w_{1}\sum_{i=1}^{n}{x_i}^2) \tag6$
然后，我们令 $\frac{\partial f}{\partial w_{0}}=0$ 以及 $\frac{\partial f}{\partial w_{1}}=0$ ，解得：
$w_{1}=\frac {n\sum_{}^{}{x_iy_i}-\sum_{}^{}{x_i}\sum_{}^{}{y_i}} {n\sum_{}^{}{x_i}^2-(\sum_{}^{}{x_i})^2}\\ w_{0}=\frac {\sum_{}^{}{x_i}^2\sum_{}^{}{y_i}-\sum_{}^{}{x_i}\sum_{}^{}{x_iy_i}} {n\sum_{}^{}{x_i}^2-(\sum_{}^{}{x_i})^2}\tag7$

求出了平方损失函数最小时对应的 $w$ 参数值，这也就是最佳拟合直线。

1.2.3.2 最小二乘法 - 矩阵求解（一元或者多元）

线性回归方程：
$w_0 + w_1x \tag{1}$
表达成矩阵形式为：

$\begin{bmatrix}y_{1} \\ y_{2} \\ ... \\ y_{9} \\ y_{10} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix}1, x_{1} \\ 1, x_{2} \\ ... \\ 1, x_{9} \\ 1, x_{10} \end{bmatrix} * \begin{bmatrix}w_{0} \\ w_{1} \end{bmatrix} \tag8$
即：
$\tag{8}$

（8）式中，而 $X$ 则是 $\begin{bmatrix}1, x_{1} \\ 1, x_{2} \\ ... \\ 1, x_{9} \\ 1, x_{10} \end{bmatrix}$ ， $W$ 为 $\begin{bmatrix}w_{0} \\ w_{1} \end{bmatrix}$ 矩阵。

平方损失函数为：

$\sum\limits_{i = 1}^n {{{(y_{i}-(w_0 + w_1x_{i}))}}}^2 =(y-XW)^T(y-XW)\tag{9}$

此时，对矩阵求偏导数得到：

$\frac{\partial f}{\partial W}=2*X^TXW-2*X^Ty=0 \tag{10}$
常用向量矩阵求导公式

当矩阵 $X^TX$ 满秩时， $X^TX)^{-1}X^TX=E$ ，且 $E W = W$ 。所以， $X^TX)^{-1}X^TXW=(X^TX)^{-1}X^Ty$ 。最终得到：

$W=(X^TX)^{-1}X^Ty \tag{11}$

在使用矩阵求解的过程中，还是使用了一元来举例子求解，但如果（8）式中， $X$ 代入 $\begin{bmatrix}1, x_{11}, x_{12}, x_{13},..., x_{1n} \\ 1, x_{21}, x_{22}, x_{23},..., x_{2n} \\ 1, x_{31}, x_{32}, x_{33},..., x_{3n} \\ ... \\ 1, x_{m1}, x_{m2}, x_{m3},..., x_{mn} \end{bmatrix}$ ， $W$ 代入 $\begin{bmatrix}w_{0} \\ w_{1} \\ w_{2} \\ w_{3} \\ ... \\ w_{m} \end{bmatrix}$ 矩阵，其实这个就是多元的线性回归的求解过程。

1.2.4 性能度量

平均绝对误差（MAE） 就是绝对误差的平均值：
$\textrm{MAE}(y, \hat{y} ) = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}{|y_{i}-\hat y_{i}|} \tag{12}$

其中， $y_{i}$ 表示真实值， $\hat y_{i}$ 表示预测值， $n$ 则表示值的个数。MAE 的值越小，说明预测模型拥有更好的精确度。

均方误差（MSE） 它表示误差的平方的期望值：

$\textrm{MSE}(y, \hat{y} ) = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} (y_i - \hat{y})^{2} \tag{13}$

其中， $y_{i}$ 表示真实值， $\hat y_{i}$ 表示预测值， $n$ 则表示值的个数。MSE 的值越小，说明预测模型拥有更好的精确度。

2 sklearn 中使用

from sklearn.linear_model import LinearRegression

model = LinearRegression() # 建立模型
model.fit(train_x, train_y) # 训练模型
model.coef_, model.intercept_ # 输出训练后的模型参数和截距项

# 线性回归误差计算
from sklearn.metrics import mean_absolute_error
from sklearn.metrics import mean_squared_error
from sklearn.metrics import r2_score#R square

# results 模型预测后的结果，即 model.fit(train_x, train_y)
print("线性回归平均绝对误差: ", mean_absolute_error(test_y, results.flatten())) 
print("线性回归均方误差: ", mean_squared_error(test_y, results.flatten()))
print("线性回归 R square: ", r2_score(test_y, results.flatten()))

3 优缺点

优点：实现简单，计算简单
缺点：不能拟合非线性数据

4 疑问

4.1 线性回归用于特征的筛选

LinearRegression训练后，使用 model.coef_得到模型的参数，参数越大表示权重越大

4.2 线性回归，Ridge回归（L2范式），Lasso回归（L1范式）之间的联系

前面矩阵求解的时候，最小二乘法的矩阵解法是有局限性的，就是公式 $(11)$ 成立的条件就是 $\left | X^{T}X \right |$ 不能为 0。而当变量之间的相关性较强（多重共线性），或者 $m$ 大于 $n$ 时， $(11)$ 式中的 $X$ 不是满秩（ $rank(A)\neq dim(x)$ ）矩阵。从而使得 $\left | X^{T}X \right |$ 的结果趋近于 0，造成拟合参数的数值不稳定性增加。

所以以下两种场景建议使用 L1 或者 L2 范式

数据集的列（特征）数量 > 数据量（行数量），即 XX 不是列满秩。
数据集列（特征）数据之间存在较强的线性相关性，即模型容易出现过拟合。

4.3 最小二乘法算法复杂度怎么分析？

4.4 由2引出的疑问 sklearn 中 Ridge / Lasso 和 LinearRegression 结果是一样的吗？有待验证

from sklearn.linear_model import Ridge
from sklearn.linear_model import Lasso

4.5 最大似然估计，梯度下降，最小二乘法之间有什么联系

为什么会出现这些求解过程？SVM支持向量机
在 sklearn 的 LinearRegression 有使用到么？LinearRegression 使用的是最小二乘法，sklearn 里面也有梯度下降的算法

批量梯度下降(BGD)
优点：得到全局最优解；易于并行实现
缺点：当样本数目很多时，训练过程会很慢
随机梯度下降(SGD)
优点：训练速度快
缺点：准确度下降，并不是全局最优；不易于并行实现
小批量梯度下降(MBGD)

参考资料

机器学习算法1_线性回归 Datawhale
线性回归 - 爖
 线性回归算法 - 黑桃