【机器学习】多项式回归

注：在上一篇的一般线性回归中，使用的假设函数是一元一次方程，也就是二维平面上的一条直线。但是很多时候可能会遇到直线方程无法很好的拟合数据的情况，这个时候可以尝试使用多项式回归。多项式回归中，加入了特征的更高次方（例如平方项或立方项），也相当于增加了模型的自由度，用来捕获数据中非线性的变化。添加高阶项的时候，也增加了模型的复杂度。随着模型复杂度的升高，模型的容量以及拟合数据的能力增加，可以进一步降低训练误差，但导致过拟合的风险也随之增加。

 

图A，模型复杂度与训练误差及测试误差之间的关系

0. 多项式回归的一般形式

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在多项式回归中，最重要的参数是最高次方的次数。设最高次方的次数为$n$，且只有一个特征时，其多项式回归的方程为：

$$ hat{h} = heta_0 + heta_1 x^1 + ...   + heta_{n-1} x^{n-1} +  heta_n x^n $$

如果令$x_0 = 1$，在多样本的情况下，可以写成向量化的形式：

$$hat{h} = X cdot heta$$

其中$X$是大小为$m cdot (n+1)$的矩阵，$ heta$是大小为$(n+1) cdot 1$的矩阵。在这里虽然只有一个特征$x$以及$x$的不同次方，但是也可以将$x$的高次方当做一个新特征。与多元回归分析唯一不同的是，这些特征之间是高度相关的，而不是通常要求的那样是相互对立的。

 在这里有个问题在刚开始学习线性回归的时候困扰了自己很久：如果假设中出现了高阶项，那么这个模型还是线性模型吗？此时看待问题的角度不同，得到的结果也不同。如果把上面的假设看成是特征$x$的方程，那么该方程就是非线性方程；如果看成是参数$ heta$的方程，那么$x$的高阶项都可以看做是对应$ heta$的参数，那么该方程就是线性方程。很明显，在线性回归中采用了后一种解释方式。因此多项式回归仍然是参数的线性模型。

1. 多项式回归的实现

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下面主要使用了numpy、scipy、matplotlib和scikit-learn，所有使用到的函数的导入如下：

import numpy as np
from scipy import stats
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.metrics import mean_squared_error

下是使用的数据是使用$y = x^2 + 2$并加入一些随机误差生成的，只取了10个数据点：

data = np.array([[ -2.95507616,  10.94533252],
       [ -0.44226119,   2.96705822],
       [ -2.13294087,   6.57336839],
       [  1.84990823,   5.44244467],
       [  0.35139795,   2.83533936],
       [ -1.77443098,   5.6800407 ],
       [ -1.8657203 ,   6.34470814],
       [  1.61526823,   4.77833358],
       [ -2.38043687,   8.51887713],
       [ -1.40513866,   4.18262786]])
m = data.shape[0]  # 样本大小
X = data[:, 0].reshape(-1, 1)  # 将array转换成矩阵
y = data[:, 1].reshape(-1, 1)
plt.plot(X, y, "b.")
plt.xlabel('X')
plt.ylabel('y')
plt.show()

这些数据点plot出来，如下图：

图1-1，原始数据

1.1 直线方程拟合

下面先用直线方程拟合上面的数据点：

lin_reg = LinearRegression()
lin_reg.fit(X, y)
print(lin_reg.intercept_, lin_reg.coef_)  # [ 4.97857827] [[-0.92810463]]

X_plot = np.linspace(-3, 3, 1000).reshape(-1, 1)
y_plot = np.dot(X_plot, lin_reg.coef_.T) + lin_reg.intercept_
plt.plot(X_plot, y_plot, 'r-')
plt.plot(X, y, 'b.')
plt.xlabel('X')
plt.ylabel('y')
plt.savefig('regu-2.png', dpi=200)

图1-2，直线拟合的效果

可以使用函数"mean_squared_error"来计算误差(使用前面介绍过的Mean squared error, MSE)：

h = np.dot(X.reshape(-1, 1), lin_reg.coef_.T) + lin_reg.intercept_
print(mean_squared_error(h, y)) # 3.34

1.2 使用多项式方程

为了拟合2次方程，需要有特征$x^2$的数据，这里可以使用函数"PolynomialFeatures"来获得：

poly_features = PolynomialFeatures(degree=2, include_bias=False)
X_poly = poly_features.fit_transform(X)
print(X_poly)

结果如下：

[[-2.95507616  8.73247511]
 [-0.44226119  0.19559496]
 [-2.13294087  4.54943675]
 [ 1.84990823  3.42216046]
 [ 0.35139795  0.12348052]
 [-1.77443098  3.1486053 ]
 [-1.8657203   3.48091224]
 [ 1.61526823  2.60909145]
 [-2.38043687  5.66647969]
 [-1.40513866  1.97441465]]

利用上面的数据做线性回归分析：

lin_reg = LinearRegression()
lin_reg.fit(X_poly, y)
print(lin_reg.intercept_, lin_reg.coef_)  # [ 2.60996757] [[-0.12759678  0.9144504 ]]

X_plot = np.linspace(-3, 3, 1000).reshape(-1, 1)
X_plot_poly = poly_features.fit_transform(X_plot)
y_plot = np.dot(X_plot_poly, lin_reg.coef_.T) + lin_reg.intercept_
plt.plot(X_plot, y_plot, 'r-')
plt.plot(X, y, 'b.')
plt.show()

第3行得到了训练后的参数，即多项式方程为$h = -0.13x + 0.91x^2 + 2.61$ （结果中系数的顺序与$X$中特征的顺序一致），如下图所示：

图1-3：2次多项式方程与原始数据的比较

利用多项式回归，代价函数MSE的值下降到了0.07。通过观察代码，可以发现训练多项式方程与直线方程唯一的差别是输入的训练集$X$的差别。在训练直线方程时直接输入了$X$的值，在训练多项式方程的时候，还添加了我们计算出来的$x^2$这个“新特征”的值（由于$x^2$完全是由$x$的值确定的，因此严格意义上来讲此时该模型只有一个特征$x$）。

此时有个非常有趣的问题：假如一开始得到的数据就是上面代码中"X_poly"的样子，且不知道$x_1$与$x_2$之间的关系。此时相当于我们有10个样本，每个样本具有$x_1, x_2$两个不同的特征。这时假设函数为：$$hat{h} = heta_0 + heta_1 x_1 + heta_2 x_2$$

直接按照二元线性回归方程来训练，也可以得到上面同样的结果（$ heta$的值）。如果在相同情况下，收集到了新的数据，可以直接带入上面的方程进行预测。唯一不同的是，我们不知道$x_2 = x_1^2$这个隐含在数据内部的关系，所有也就无法画出图1-3中的这条曲线。一旦了解到了这两个特征之间的关系，数据的维度就从3维下降到了2维（包含截距项$ heta_0$）。

 2. 持续降低训练误差与过拟合

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在上面实现多项式回归的过程中，通过引入高阶项$x^2$，训练误差从3.34下降到了0.07，减小了将近50倍。那么训练误差是否还有进一步下降的空间呢？答案是肯定的，通过继续增加更高阶的项，训练误差可以进一步降低。通过尝试，当最高阶项为$x^{11}$时，训练误差为3.11e-23，几乎等于0了。

下面是测试不同degree的过程：

# test different degree and return loss
def try_degree(degree, X, y):
    poly_features_d = PolynomialFeatures(degree=degree, include_bias=False)
    X_poly_d = poly_features_d.fit_transform(X)
    lin_reg_d = LinearRegression()
    lin_reg_d.fit(X_poly_d, y)
    return {'X_poly': X_poly_d, 'intercept': lin_reg_d.intercept_, 'coef': lin_reg_d.coef_}

degree2loss_paras = []
for i in range(2, 20):
    paras = try_degree(i, X, y)
    h = np.dot(paras['X_poly'], paras['coef'].T) + paras['intercept']
    _loss = mean_squared_error(h, y)
    degree2loss_paras.append({'d': i, 'loss': _loss, 'coef': paras['coef'], 'intercept': paras['intercept']})

min_index = np.argmin(np.array([i['loss'] for i in degree2loss_paras]))
min_loss_para = degree2loss_paras[min_index]
print(min_loss_para)  # 
X_plot = np.linspace(-3, 1.9, 1000).reshape(-1, 1)
poly_features_d = PolynomialFeatures(degree=min_loss_para['d'], include_bias=False)
X_plot_poly = poly_features_d.fit_transform(X_plot)
y_plot = np.dot(X_plot_poly, min_loss_para['coef'].T) + min_loss_para['intercept']
fig, ax = plt.subplots(1, 1)
ax.plot(X_plot, y_plot, 'r-', label='degree=11')
ax.plot(X, y, 'b.', label='X')
plt.xlabel('X')
plt.ylabel('y')
ax.legend(loc='best', frameon=False)
plt.savefig('regu-4-overfitting.png', dpi=200)

输出为：

{'coef': array([[  0.7900162 ,  26.72083627,   4.33062978,  -7.65908434,
          24.62696711,  12.33754429, -15.72302536,  -9.54076366,
           1.42221981,   1.74521649,   0.27877112]]),
 'd': 11,
 'intercept': array([-0.95562816]),
 'loss': 3.1080267005676934e-23}

画出的函数图像如下：

图2-1：degree=11时的函数图像

由图2-1可以看到，此时函数图像穿过了每一个样本点，所有的训练样本都落在了拟合的曲线上，训练误差接近与0。 可以说是近乎完美的模型了。但是，这样的曲线与我们最开始数据的来源（一个二次方程加上一些随机误差）差异非常大。如果从相同来源再取一些样本点，使用该模型预测会出现非常大的误差。类似这种训练误差非常小，但是新数据点的测试误差非常大的情况，就叫做模型的过拟合。过拟合出现时，表示模型过于复杂，过多考虑了当前样本的特殊情况以及噪音（模型学习到了当前训练样本非全局的特性），使得模型的泛化能力下降。

出现过拟合一般有以下几种解决方式：

• 降低模型复杂度，例如减小上面例子中的degree；
• 降维，减小特征的数量；
• 增加训练样本；
• 添加正则化项.

防止模型过拟合是机器学习领域里最重要的问题之一。鉴于该问题的普遍性和重要性，在满足要求的情况下，能选择简单模型时应该尽量选择简单的模型。

Reference

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http://scikit-learn.org/stable/modules/linear_model.html

Géron A. Hands-on machine learning with Scikit-Learn and TensorFlow: concepts, tools, and techniques to build intelligent systems[M]. " O'Reilly Media, Inc.", 2017. github

https://www.arxiv-vanity.com/papers/1803.09820/