《吴恩达机器学习》7 正则化

本文探讨机器学习中过拟合与欠拟合问题,介绍正则化方法避免模型过度依赖训练数据,通过调整参数大小提升泛化能力。涵盖线性回归与逻辑回归的正则化策略。

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前言

前面已经学习了线性回归和逻辑回归的算法,我们也知道可以通过这些算法来训练我们的数据,从而得到一个比较靠谱的算法来预测未知的数据。但是这个模型在做机器学习的算法有时会出现过拟合(over-fitting)欠拟合(under-fitting),这个章节来学习正则化的方法来避免或减少过拟合及欠拟合

一、过拟合和欠拟合

如下示第一个模型是一个线性模型,欠拟合,不能很好地适应我们的训练集;第三个模型是一个四次方的模型,过于强调拟合原始数据,而丢失了算法的本质:预测新数据。我们可以看出,若给出一个新的值使之预测,它将表现的很差,是过拟合,虽然能非常好地适应我们的训练集,但在新输入变量进行预测时可能会效果不好,而中间的模型似乎最合适。
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同样对于分类模型中也有这样的情况就以多项式理解, x 的次数越高,拟合的越好,但相应的预测的能力就可能变差。问题是,如果我们发现了过拟合问题,应该如何处理?
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下面有两种这样的方法可以避免过拟合问题
① 丢弃一些不能帮助我们正确预测的特征。可以是手工选择保留哪些特征,或者使用一些模型选择的算法来帮忙(例如 PCA)
正则化。 保留所有的特征,但是减少参数的大小(magnitude)

二、代价函数

那么针对于上述问题,我们要这么做才能减少过拟合的情况发生呢?上面的回归问题中如果我们的模型是:
hθ(x) = θ0 + θ1x1 + θ2x2 2 + θ3x3 3 + θ4x4 4
我们可以从之前的事例中看出,正是那些高次项导致了过拟合的产生,所以如果我们能让这些高次项的系数接近于 0 的话,我们就能很好的拟合了。而减少我们的参数θ的值就是我们的正则化的基本方法。要减少θ3和θ4的大小,我们要做的便是修改代价函数,在其中θ3和θ4设置一点惩罚。
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那么上面的模型可以简化成下面的公式,其中λ又称为正则化参数(根据惯例,我们不对θ0 进行惩罚。)。对于正则化,我们要取一个合理的 λ的值,这样才能更好的应用正则化。
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三、线性回归的正则化

对于线性模型我们知道有两种方法求解(梯度下降法和正规方程求解)
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梯度下降法中我们要最小化代价函数就必须对每个θ求解偏导数,然后迭代每一次计算来求解最小的代价函数。可以看出,正则化线性回归的梯度下降算法的变化在于,每次都在原有算法更新规则的基础上令θ值减少了一个额外的值
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四、Logistic回归的正则化

而对于Logistic回归的欠拟合问题,我们同样也给代价函数增加一个正则化的表达式,得到代
价函数:
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而此时用梯度下降法来求解方程,看上去同线性回归一样,只不过是 ℎθ(x) = θTx 而已
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总结

以上就是《吴恩达机器学习》系列视频 正则化 的内容笔记,以便后续学习和查阅。

### 关于正则化线性回归的概念 在线性回归中引入正则化是为了防止过拟合现象的发生。当模型过于复杂,即拥有过多的自由参数时,可能会导致训练数据上的表现非常好,但在未见过的数据上性能较差。为了缓解这一情况,在损失函数中加入了一个惩罚项来约束权重系数的大小[^3]。 对于正则化的线性回归而言,其目标是最小化如下形式的成本函数: \[ J(\theta)=\frac{1}{2m}\left[\sum_{i=1}^{m}(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)})^2+\lambda \sum_{j=1}^{n}\theta_j^2\right]\] 其中 \( h_\theta (x)\) 表示假设函数;\( m\) 是样本数量;\( n\) 代表特征数目;而 \( \lambda\) 则是用来控制正则强度的超参数[^2]。 ### 正则化线性回归的具体实现 #### Python代码实例 下面给出一段Python代码用于计算带有L2正则化的线性回归成本以及相应的梯度向量: ```python import numpy as np def compute_cost(X, y, theta, lambda_reg): """ Compute cost and gradient for linear regression with regularization Parameters: X : array_like The input dataset of shape (m x n+1). y : array_like Value at given features. A vector of shape (m, ). theta : array_like Linear regression parameters. A vector of shape (n+1,). lambda_reg : float The regularization parameter. Returns: J : float The computed value for the regularized cost function. grad : ndarray The partial derivatives of the cost w.r.t to each element in theta. """ # Initialize some useful values m = len(y) # number of training examples predictions = X @ theta.T error = predictions - y reg_term = (lambda_reg / (2 * m)) * sum(theta[1:] ** 2) # Calculate Cost Function J = (1/(2*m))*np.sum(error**2)+reg_term # Gradient Descent & Regularization Term Excluding Bias Parameter grad = ((1/m)*X.T@error).T+(lambda_reg/m)*theta grad[0]=grad[0]-((lambda_reg/m)*theta[0]) return J, grad ``` 此段程序实现了带L2正则化的线性回归成本函数及其导数的求解过程。注意这里对偏置项不做任何正则处理[^4]。
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