机器学习有监督学习之--回归

一、引言

　　本材料参考Andrew Ng大神的机器学习课程 http://cs229.stanford.edu，以及斯坦福无监督学习UFLDL tutorial http://ufldl.stanford.edu/wiki/index.php/UFLDL_Tutorial

　　机器学习中的回归问题属于有监督学习的范畴。回归问题的目标是给定D维输入变量x，并且每一个输入矢量x都有对应的值y，要求对于新来的数据预测它对应的连续的目标值t。比如下面这个例子：假设我们有一个包含47个房子的面积和价格的数据集如下：

我们可以在Matlab中画出来这组数据集，如下：

　　看到画出来的点，是不是有点像一条直线？我们可以用一条曲线去尽量拟合这些数据点，那么对于新来的输入，我么就可以将拟合的曲线上返回对应的点从而达到预测的目的。如果要预测的值是连续的比如上述的房价，那么就属于回归问题；如果要预测的值是离散的即一个个标签，那么就属于分类问题。这个学习处理过程如下图所示：

　　上述学习过程中的常用术语：包含房子面积和价格的数据集称为训练集training set；输入变量x（本例中为面积）为特征features；输出的预测值y（本例中为房价）为目标值target；拟合的曲线，一般表示为y = h(x)，称为假设模型hypothesis；训练集的条目数称为特征的维数，本例为47。

二、线性回归模型

　　线性回归模型假设输入特征和对应的结果满足线性关系。在上述的数据集中加上一维--房间数量，于是数据集变为：

　　于是，输入特征x是二维的矢量，比如x₁⁽ⁱ⁾表示数据集中第i个房子的面积，x₂⁽ⁱ⁾表示数据集中第i个房子的房间数量。于是可以假设输入特征x与房价y满足线性函数，比如：

这里θ_i称为假设模型即映射输入特征x与结果y的线性函数h的参数parameters，为了简化表示，我们在输入特征中加入x₀ = 1，于是得到：

参数θ和输入特征x都为矢量，n是输入的特征x的个数（不包含x₀）。

　　现在，给定一个训练集，我们应该怎么学习参数θ，从而达到比较好的拟合效果呢？一个直观的想法是使得预测值h(x)尽可能接近y，为了达到这个目的，我们对于每一个参数θ，定义一个代价函数cost function用来描述h(x⁽ⁱ⁾)‘与对应的y⁽ⁱ⁾‘的接近程度：

前面乘上的1/2是为了求导的时候，使常数系数消失。于是我们的目标就变为了调整θ使得代价函数J(θ)取得最小值，方法有梯度下降法，最小二乘法等。

　　2.1 梯度下降法

　　现在我们要调整θ使得J(θ)取得最小值，为了达到这个目的，我们可以对θ取一个随机初始值（随机初始化的目的是使对称失效），然后不断地迭代改变θ的值来使J(θ)减小，知道最终收敛取得一个θ值使得J(θ)最小。梯度下降法就采用这样的思想：对θ设定一个随机初值θ_0，然后迭代进行以下更新

直到收敛。这里的α称为学习率learning rate。

　　梯度方向由J(θ)对θ 的偏导数决定，由于要求的是最小值，因此对偏导数取负值得到梯度方向。将J(θ)代入得到总的更新公式

这样的更新规则称为LMS update rule（least mean squares），也称为Widrow-Ho? learning rule。

　　对于如下更新参数的算法：

由于在每一次迭代都考察训练集的所有样本，而称为批量梯度下降batch gradient descent。对于引言中的房价数据集，运行这种算法，可以得到θ₀ = 71.27, θ₁ = 1.1345，拟合曲线如下图：

　　如果参数更新计算算法如下：

这里我们按照单个训练样本更新θ的值，称为随机梯度下降stochastic gradient descent。比较这两种梯度下降算法，由于batch gradient descent在每一步都考虑全部数据集，因而复杂度比较高，随机梯度下降会比较快地收敛，而且在实际情况中两种梯度下降得到的最优解J(θ)一般会接近真实的最小值。所以对于较大的数据集，一般采用效率较高的随机梯度下降法。

　　2.2 最小二乘法

　　梯度下降算法给出了一种计算θ的方法，但是需要迭代的过程，比较费时而且不太直观。下面介绍的最小二乘法是一种直观的直接利用矩阵运算可以得到θ值的算法。为了理解最小二乘法，首先回顾一下矩阵的有关运算：

　　假设函数f是将m*n维矩阵映射为一个实数的运算，即，并且定义对于矩阵A，映射f(A)对A的梯度为：

因此该梯度为m*n的矩阵。例如对于矩阵A=，而且映射函数f(A)定义为：F(A) = 1.5A₁₁ + 5A₁₂² + A₂₁A₂₂，于是梯度为：

。

　　另外，对于矩阵的迹的梯度运算，有如下规则：

。

　　下面，我们将测试集中的输入特征x和对应的结果y表示成矩阵或者向量的形式，有：

，，

对于预测模型有，即，于是可以很容易得到：

，

所以可以得到。

　　于是，我们就将代价函数J(θ)表示为了矩阵的形式，就可以用上述提到的矩阵运算来得到梯度：

，

令上述梯度为0，得到等式：，于是得到θ的值：

。这就是最小二乘法得到的假设模型中参数的值。

　　2.3 加权线性回归

　　首先考虑下图中的几种曲线拟合情况：

最左边的图使用线性拟合，但是可以看到数据点并不完全在一条直线上，因而拟合的效果并不好。如果我们加入x²项，得到，如中间图所示，该二次曲线可以更好的拟合数据点。我们继续加入更高次项，可以得到最右边图所示的拟合曲线，可以完美地拟合数据点，最右边的图中曲线为5阶多项式，可是我们都很清醒地知道这个曲线过于完美了，对于新来的数据可能预测效果并不会那么好。对于最左边的曲线，我们称之为欠拟合--过小的特征集合使得模型过于简单不能很好地表达数据的结构，最右边的曲线我们称之为过拟合--过大的特征集合使得模型过于复杂。

　　正如上述例子表明，在学习过程中，特征的选择对于最终学习到的模型的性能有很大影响，于是选择用哪个特征，每个特征的重要性如何就产生了加权的线性回归。在传统的线性回归中，学习过程如下：

，

而加权线性回归学习过程如下：

。

　　二者的区别就在于对不同的输入特征赋予了不同的非负值权重，权重越大，对于代价函数的影响越大。一般选取的权重计算公式为：

，

其中，x是要预测的特征，表示离x越近的样本权重越大，越远的影响越小。

三、logistic回归与Softmax回归

　　3.1 logistic回归

　　下面介绍一下logistic回归，虽然名曰回归，但实际上logistic回归用于分类问题。logistic回归实质上还是线性回归模型，只是在回归的连续值结果上加了一层函数映射，将特征线性求和，然后使用g(z)作映射，将连续值映射到离散值0/1上（对于sigmoid函数，而对于双曲正弦tanh函数为1/-1两类）。采用假设模型为：

，

而sigmoid函数g(z)为：

当z趋近于-∞，g(z)趋近于0，而z趋近于∞，g(z)趋近于1，从而达到分类的目的。这里的

　　那么对于这样的logistic模型，怎么调整参数θ呢？我们假设

，由于是两类问题，即，于是得到似然估计为：

对似然估计取对数可以更容易地求解：。

接下来是θ的似然估计最大化，可以考虑上述的梯度下降法，于是得到：

得到类似的更新公式：。虽然这个更新规则类似于LMS得到的公式，但是这两种是不同算法，因为这里的h_θ(x⁽ⁱ⁾)是一个关于θ^Tx⁽ⁱ⁾的非线性函数。

　　3.2 Softmax回归

　　logistic回归是两类回归问题的算法，如果目标结果是多个离散值怎么办？Softmax回归模型就是解决这个问题的，Softmax回归模型是logistic模型在多分类问题上的推广。在Softmax回归中，类标签y可以去k个不同的值（k>2）。因此对于y⁽ⁱ⁾从属于{1,2,3···k}。

　　对于给定的测试输入x，我们要利用假设模型针对每一个类别j估算概率值p(y = j|x)。于是假设函数h_θ(x⁽ⁱ⁾)形式为：

其中θ1，θ2，θ3，···，θk属于模型的参数，等式右边的系数是对概率分布进行归一化，使得总概率之和为1。于是类似于logistic回归，推广得到新的代价函数为：

可以看到Softmax代价函数与logistic代价函数形式上非常相似，只是Softmax函数将k个可能的类别进行了累加，在Softmax中将x分为类别j的概率为：

于是对于Softmax的代价函数，利用梯度下降法使的J(θ)最小，梯度公式如下：

表示J(θ)对第j个元素θj的偏导数，每一次迭代进行更新：。

　　3.3 Softmax回归 vs logistic回归

　　特别地，当Softmax回归中k = 2时，Softmax就退化为logistic回归。当k = 2时，Softmax回归的假设模型为：

我们令ψ = θ1，并且两个参数都剪去θ1，得到：

于是Softmax回归预测得到两个类别的概率形式与logistic回归一致。

　　现在，如果有一个k类分类的任务，我们可以选择Softmax回归，也可以选择k个独立的logistic回归分类器，应该如何选择呢？

　　这一选择取决于这k个类别是否互斥，例如，如果有四个类别的电影，分别为：好莱坞电影、港台电影、日韩电影、大陆电影，需要对每一个训练的电影样本打上一个标签，那么此时应选择k = 4的Softmax回归。然而，如果四个电影类别如下：动作、喜剧、爱情、欧美，这些类别并不是互斥的，于是这种情况下使用4个logistic回归分类器比较合理。

四、一般线性回归模型

　　首先定义一个通用的指数概率分布：