线形回归与损失函数

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线性回归用于处理特征与结果呈线性关系的数据。由于实际数据往往是超定方程组,直接求解参数不可行,因此采用最小误差的松弛求解策略。损失函数以模型与数据差的平方和最小为目标,通过最小二乘法或梯度下降法(如批梯度下降、增量梯度下降)进行优化。最小二乘法要求X是列满秩的,而梯度下降法关注偏导数、学习率和收敛性。

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假设 特征 和 结果 都满足线性。即不大于一次方。这个是针对 收集的数据而言。
收集的数据中,每一个分量,就可以看做一个特征数据。每个特征至少对应一个未知的参数。这样就形成了一个线性模型函数,向量表示形式:

clip_image005

 

这个就是一个组合问题,已知一些数据,如何求里面的未知参数,给出一个最优解。 一个线性矩阵方程,直接求解,很可能无法直接求解。有唯一解的数据集,微乎其微。

基本上都是解不存在的超定方程组。因此,需要退一步,将参数求解问题,转化为求最小误差问题,求出一个最接近的解,这就是一个松弛求解。

 

求一个最接近解,直观上,就能想到,误差最小的表达形式。仍然是一个含未知参数的线性模型,一堆观测数据,其模型与数据的误差最小的形式,模型与数据差的平方和最小:

clip_image006

这就是损失函

### 一、损失函数的构建方式 多元线性回归是一种用于建模多个特征目标变量之间线性关系的统计方法。在该模型中,损失函数的构建基于**均方误差**(Mean Squared Error, MSE)原则,用于衡量模型预测值真实值之间的平均差异程度。 假设一个样本有 $ n $ 个特征,其预测值 $ \hat{y}_i $ 由以下线性方程表示: $$ \hat{y}_i = w_0 + w_1 x_{i1} + w_2 x_{i2} + \ldots + w_n x_{in} $$ 其中,$ w_0 $ 是截距项,$ w_1, w_2, \ldots, w_n $ 是回归系数,$ x_{i1}, x_{i2}, \ldots, x_{in} $ 是样本 $ i $ 的特征值。损失函数的目标是最小化所有样本的预测值真实值之间的平方误差之和。 多元线性回归损失函数定义如下: $$ J(w) = \frac{1}{2m} \sum_{i=1}^{m} (\hat{y}_i - y_i)^2 $$ 其中: - $ m $ 是训练样本的数量; - $ \hat{y}_i $ 是第 $ i $ 个样本的预测值; - $ y_i $ 是第 $ i $ 个样本的真实值; - $ w $ 是模型参数向量,包含 $ w_0, w_1, \ldots, w_n $。 引入 $ \frac{1}{2} $ 是为了在后续求导时简化计算,不影响优化结果。该损失函数的目标是通过调整参数 $ w $,使 $ J(w) $ 的值最小化,从而提升模型的预测精度 [^1]。 ### 二、损失函数的优化方法 为了最小化损失函数,可以采用以下两种主要方法: #### 1. 解析解法(最小二乘法) 解析解法通过数学推导直接求解出最优的参数 $ w $。对于多元线性回归损失函数对参数 $ w_j $ 求偏导并令其等于零,得到以下解析解: $$ w = (X^T X)^{-1} X^T y $$ 其中: - $ X $ 是特征矩阵,维度为 $ m \times (n+1) $,第一列为全1,对应截距项 $ w_0 $; - $ y $ 是目标变量向量,维度为 $ m \times 1 $。 该方法适用于数据规模较小的情况,计算效率较高 [^2]。 #### 2. 梯度下降法 梯度下降法是一种迭代优化算法,通过逐步调整参数 $ w $ 来减小损失函数的值。梯度下降的更新规则如下: $$ w_j := w_j - \alpha \cdot \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} (\hat{y}_i - y_i) \cdot x_{ij} $$ 其中: - $ \alpha $ 是学习率,控制每次更新的步长; - $ x_{ij} $ 是第 $ i $ 个样本的第 $ j $ 个特征值。 梯度下降法的优点是可以处理大规模数据集,且适用于更复杂的模型 [^3]。 ### 三、代码示例 以下是一个使用 Python 实现多元线性回归的示例,展示了如何使用 `sklearn.linear_model.LinearRegression` 进行模型训练和预测。 ```python import numpy as np from sklearn.linear_model import LinearRegression from sklearn.metrics import mean_squared_error # 生成模拟数据 np.random.seed(0) X = np.random.rand(100, 3) # 100个样本,每个样本3个特征 y = 2 * X[:, 0] + 3 * X[:, 1] + 5 * X[:, 2] + np.random.randn(100) * 0.1 # 训练模型 model = LinearRegression() model.fit(X, y) # 预测评估 y_pred = model.predict(X) mse = mean_squared_error(y, y_pred) print("模型系数:", model.coef_) print("模型截距:", model.intercept_) print("均方误差:", mse) ``` 该代码首先生成包含3个特征的随机数据,然后使用 `LinearRegression` 拟合模型,并计算预测值真实值之间的均方误差 [^4]。 ### 四、总结 多元线性回归损失函数基于均方误差构建,旨在最小化模型预测值真实值之间的差异。通过解析解法或梯度下降法,可以找到最优的模型参数,从而建立一个能够有效预测的线性模型。
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