【机器学习】【线性回归】scipy最小二乘法求解线性回归的最优解

本文介绍了如何使用scipy库中的最小二乘法求解线性回归问题,包括一元线性回归和多元线性回归。通过示例代码展示了拟合过程,包括运行日志、拟合效果及训练数据展示。

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1拟合h(x) = w0 + w1*x

话不多说,直接上code

1.1代码

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@author: 蔚蓝的天空TOM
Talk is cheap, show me the code
Aim:最小二乘法库函数leastsq使用示例详解
"""
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.optimize import leastsq

#hypothesis function
def hypothesis_func(w, x):
    w1,w0 = w
    return w1*x + w0
    
#error function
def error_func(w, train_x, train_y, msg):
    print(msg)
    return hypothesis_func(w, train_x) - train_y

def dump_fit_func(w_fit):
    w1,w0=w_fit
    print("fitting line=",str(w1)+"*x + "+str(w0))
    return
    
#square error平方差函数
def dump_fit_cost(w_fit, train_x, train_y):
    error = error_func(w_fit, train_x, train_y, "")
    square_error = sum(e*e for e in error)
    print('fitting cost:',str(square_error))
    return square_error
    
#main function
if __name__=="__main__":
    #train set
    train_x = np.array([8.19,2.72,6.39,8.71,4.7,2.66,3.78])
    train_y = np.array([7.01,2.78,6.47,6.71,4.1,4.23,4.05])

    #linear regression by leastsq
    msg = "invoke scipy leastsq"
    w_init = [20, 1]#weight factor init
    fit_ret = leastsq(error_func, w_init, args=(train_x, train_y, msg))
    w_fit = fit_ret[0]

    #dump fit result
    dump_fit_func(w_fit)
    fit_cost = dump_fit_cost(w_fit, train_x, train_y)
    
    #test set
    test_x = np.array(np.arange(train_x.min(), train_x.max(), 1.0))
    test_y = hypothesis_func(w_fit, test_x)

    #show result by figure
    plt.figure(1)
    plt.figure(figsize=(8,6))#指定图像比例: 8:6
    plt.title('linear regression by scipy leastsq')
    plt.scatter(train_x, train_y, color='b', label='train set')
    plt.scatter(test_x, test_y, color='r', marker = '^', label='test set', linewidth=2)
    plt.plot(test_x, test_y, color='r', label='fitting line')
    plt.legend(loc='lower right')#label面板放到figure的右下角
    
    plt.
<think>好的,我现在要回答用户关于如何使用最小二乘法求解非线性代价函数的问题。首先,我需要回忆一下最小二乘法的基本概念,尤其是它在非线性情况下的应用。用户可能已经了解线性模型的最小二乘法,但现在需要扩展到非线性,所以得解释清楚两者的区别和非线性的处理方法。 首先,要明确非线性代价函数的形式。在线性情况下,模型可能是$y = w_0 + w_1x$,而非线性的话,可能是多项式,比如$y = w_0 + w_1x + w_2x^2$,或者更复杂的如指数函数、对数函数等。这时候,代价函数仍然是误差平方和,即$E(\mathbf{w}) = \sum_{i=1}^m (f(\mathbf{x}_i, \mathbf{w}) - y_i)^2$,其中$f$是非线性函数,$\mathbf{w}$是参数向量。 接下来,用户想知道如何求解这样的非线性问题。根据之前的引用,特别是引用[3]提到梯度下降法和求解方程组两种方法,以及引用[2]中的fmincon和fminunc,这些都是可能的解法。我需要把这些方法整理清楚。 首先,梯度下降法。对于非线性问题,解析解可能不存在或难以求得,因此需要数值优化方法。梯度下降通过迭代更新参数,逐步逼近最小值。这里需要说明梯度下降的步骤,如计算梯度、更新参数等,并可能提到学习率的选择对收敛的影响。 然后是牛顿法或高斯-牛顿法,这些二阶方法可能收敛更快,但计算Hessian矩阵可能复杂,尤其是在高维情况下。高斯-牛顿法是针对最小二乘问题设计的,利用雅可比矩阵近似Hessian,可能更高效。 另外,引用[3]中还提到求解方程组的方法,可能是指通过求导并令导数为零,得到方程组,然后使用数值方法(如牛顿法)来解这些方程。不过对于非线性模型,直接求解导数为零的方程可能困难,所以可能需要迭代方法。 还有,用户提供的引用[2]中的fmincon和fminunc是MATLAB中的优化函数,用于有约束和无约束的非线性优化。这说明在实际应用中,人们常使用现有的优化库来处理,而无需手动实现算法。这部分可能需要提到,比如使用Python的scipy.optimize中的least_squares或minimize函数。 然后,需要分步骤解释如何应用这些方法。例如,第一步是定义模型和代价函数,第二步是选择优化算法,第三步是迭代求解,第四步是验证结果。同时,可能需要举例说明,比如使用多项式拟合,或者指数模型。 另外,引用[4]中给出了线性情况下的代价函数,而非线性情况下虽然形式类似,但模型函数f(x_i)变得非线性,导致优化问题非凸,可能存在多个局部最小值。因此,初始值的选择变得重要,可能需要多次尝试不同的初始点。 还要注意,非线性最小二乘可能无法保证找到全局最优,而只能找到局部最优,这也是需要提及的一个问题。此外,过拟合的问题在非线性模型中更为突出,可能需要正则化,如岭回归或LASSO,但用户的问题集中在最小二乘法本身,可能不需要深入正则化,但可以简要提到。 最后,可能需要总结不同方法的优缺点,比如梯度下降简单但慢,二阶方法快但计算量大,使用现有库方便但需要理解参数设置等。同时,引用相关资源,如用户提供的优快云链接中的例子,或者引用中的其他方法,来支持回答的可靠性。 在生成相关问题的时候,需要考虑用户可能进一步的问题,比如非线性最小二乘的收敛性问题,如何选择初始值,或者具体在机器学习中的应用案例,如神经网络中的损失函数优化是否属于此类问题,或者其他优化算法的比较等。</think>### 如何使用最小二乘法求解非线性代价函数? #### 1. **定义非线性模型与代价函数** 假设非线性模型为$f(\mathbf{x}, \mathbf{w})$,其中$\mathbf{w}$为参数向量,$\mathbf{x}$为输入特征。代价函数为误差平方和: $$E(\mathbf{w}) = \sum_{i=1}^m \left( f(\mathbf{x}_i, \mathbf{w}) - y_i \right)^2$$ 目标是通过优化$\mathbf{w}$使$E(\mathbf{w})$最小化。 #### 2. **求解方法** 由于非线性模型无法直接通过线性代数求解闭式解,需采用数值优化方法: ##### **2.1 梯度下降法** - **原理**:沿负梯度方向迭代更新参数,逐步逼近最小值。 - **步骤**: 1. 初始化参数$\mathbf{w}_0$,设定学习率$\eta$。 2. 计算梯度$\nabla E(\mathbf{w}_k) = 2 \sum_{i=1}^m (f(\mathbf{x}_i, \mathbf{w}_k) - y_i) \cdot \nabla f(\mathbf{x}_i, \mathbf{w}_k)$。 3. 更新参数:$\mathbf{w}_{k+1} = \mathbf{w}_k - \eta \nabla E(\mathbf{w}_k)$。 4. 重复直至收敛。 - **特点**:简单但收敛速度较慢,需合理选择学习率[^3]。 ##### **2.2 高斯-牛顿法** - **原理**:利用泰勒展开对模型线性化,将非线性问题转化为线性最小二乘迭代求解。 - **步骤**: 1. 计算残差$r_i = f(\mathbf{x}_i, \mathbf{w}_k) - y_i$。 2. 构造雅可比矩阵$J$,其中$J_{ij} = \frac{\partial f(\mathbf{x}_i, \mathbf{w}_k)}{\partial w_j}$。 3. 求解增量$\Delta \mathbf{w} = -(J^T J)^{-1} J^T \mathbf{r}$。 4. 更新参数:$\mathbf{w}_{k+1} = \mathbf{w}_k + \Delta \mathbf{w}$。 - **特点**:收敛速度快,但需计算雅可比矩阵,可能因矩阵病态而失败。 ##### **2.3 Levenberg-Marquardt算法** - **改进**:结合梯度下降和高斯-牛顿法,引入阻尼因子$\lambda$控制步长: $$\Delta \mathbf{w} = -(J^T J + \lambda I)^{-1} J^T \mathbf{r}$$ - **特点**:鲁棒性强,适用于复杂非线性问题[^2]。 ##### **2.4 使用优化库(如`scipy.optimize`)** - **实践方法**:直接调用现成工具(如Python中的`least_squares`或`fminunc`)简化实现: ```python from scipy.optimize import least_squares def residual(w, x, y): return f(x, w) - y result = least_squares(residual, w0, args=(x_data, y_data)) ``` - **优势**:自动选择优化策略,支持约束条件。 #### 3. **关键问题与注意事项** - **初始值选择**:非线性优化对初始值敏感,需通过经验或网格搜索尝试。 - **局部最优**:代价函数可能非凸,需多次初始化或结合全局优化算法。 - **过拟合风险**:复杂非线性模型易过拟合,可通过正则化(如岭回归)改进[^1]。 #### 4. **示例:非线性拟合** 假设模型为$f(x, w) = w_0 e^{w_1 x} + w_2 x^3$,使用高斯-牛顿法迭代求解参数。具体步骤包括: 1. 计算雅可比矩阵对$w_0, w_1, w_2$的偏导数。 2. 通过线性化残差更新参数,直至残差变化小于阈值。 ---
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