机器学习进度07（线性模型、损失函数、优化方法）

线性模型

线性回归应用场景

什么是线性回归

定义与公式

线性回归(Linear regression)是利用回归方程(函数)对一个或多个自变量(特征值)和因变量(目标值)之间关系进行建模的一种分析方式。

• 特点：只有一个自变量的情况称为单变量回归，大于一个自变量情况的叫做多元回归
• 

那么怎么理解呢？我们来看几个例子

• 期末成绩：0.7×考试成绩+0.3×平时成绩
• 房子价格 = 0.02×中心区域的距离 + 0.04×城市一氧化氮浓度 + (-0.12×自住房平均房价) + 0.254×城镇犯罪率

上面两个例子，我们看到特征值与目标值之间建立的一个关系，这个可以理解为回归方程。

 线性回归的特征与目标的关系分析

线性回归当中的关系有两种，一种是线性关系，另一种是非线性关系。在这里我们只能画一个平面更好去理解，所以都用单个特征举例子。

• 线性关系
• 

   

   

  线性回归的损失和优化原理（理解记忆）

  假设刚才的房子例子，真实的数据之间存在这样的关系

  真实关系：真实房子价格 = 0.02×中心区域的距离 + 0.04×城市一氧化氮浓度 + (-0.12×自住房平均房价) + 0.254×城镇犯罪率
  

  那么现在呢，我们随意指定一个关系（猜测）

  随机指定关系：预测房子价格 = 0.25×中心区域的距离 + 0.14×城市一氧化氮浓度 + 0.42×自住房平均房价 + 0.34×城镇犯罪率
  

  请问这样的话，会发生什么？真实结果与我们预测的结果之间是不是存在一定的误差呢？类似这样样子

损失函数

总损失定义为：

• y_i为第i个训练样本的真实值
• h(x_i)为第i个训练样本特征值组合预测函数
• 又称最小二乘法

如何去减少这个损失，使我们预测的更加准确些？既然存在了这个损失，我们一直说机器学习有自动学习的功能，在线性回归这里更是能够体现。这里可以通过一些优化方法去优化（其实是数学当中的求导功能）回归的总损失！

优化方法

如何去求模型当中的W，使得损失最小？（目的是找到最小损失对应的W值）

线性回归经常使用的两种优化算法

• 正规方程

 

 

 

 

 线性回归API

sklearn.linear_model.LinearRegression(fit_intercept=True)
通过正规方程优化
fit_intercept：是否计算偏置
LinearRegression.coef_：回归系数
LinearRegression.intercept_：偏置
sklearn.linear_model.SGDRegressor(loss="squared_loss", fit_intercept=True, learning_rate ='invscaling', eta0=0.01)
SGDRegressor类实现了随机梯度下降学习，它支持不同的loss函数和正则化惩罚项来拟合线性回归模型。
loss:损失类型
loss=”squared_loss”: 普通最小二乘法
fit_intercept：是否计算偏置
learning_rate : string, optional
学习率填充
'constant': eta = eta0
'optimal': eta = 1.0 / (alpha * (t + t0)) [default]
'invscaling': eta = eta0 / pow(t, power_t)
power_t=0.25:存在父类当中
对于一个常数值的学习率来说，可以使用learning_rate=’constant’ ，并使用eta0来指定学习率。
SGDRegressor.coef_：回归系数
SGDRegressor.intercept_：偏置

波士顿房价预测

 

分析

回归当中的数据大小不一致，是否会导致结果影响较大。所以需要做标准化处理。同时我们对目标值也需要做标准化处理。

• 数据分割与标准化处理
• 回归预测
• 线性回归的算法效果评估

 回归性能评估

均方误差(Mean Squared Error)MSE)评价机制：

 代码：

def linear1():
    """
    正规方程的优化方法对波士顿房价进行预测
    :return:
    """
    # 1）获取数据
    boston = load_boston()

    # 2）划分数据集
    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(boston.data, boston.target, random_state=22)

    # 3）标准化
    transfer = StandardScaler()
    x_train = transfer.fit_transform(x_train)
    x_test = transfer.transform(x_test)

    # 4）预估器
    estimator = LinearRegression()
    estimator.fit(x_train, y_train)

    # 5）得出模型
    print("正规方程-权重系数为：
", estimator.coef_)
    print("正规方程-偏置为：
", estimator.intercept_)

    # 6）模型评估
    y_predict = estimator.predict(x_test)
    print("预测房价：
", y_predict)
    error = mean_squared_error(y_test, y_predict)
    print("正规方程-均方误差为：
", error)

    return None


def linear2():
    """
    梯度下降的优化方法对波士顿房价进行预测
    :return:
    """
    # 1）获取数据
    boston = load_boston()
    print("特征数量：
", boston.data.shape)

    # 2）划分数据集
    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(boston.data, boston.target, random_state=22)

    # 3）标准化
    transfer = StandardScaler()
    x_train = transfer.fit_transform(x_train)
    x_test = transfer.transform(x_test)

    # 4）预估器
    estimator = SGDRegressor(learning_rate="constant", eta0=0.01, max_iter=10000, penalty="l1")
    estimator.fit(x_train, y_train)

    # 5）得出模型
    print("梯度下降-权重系数为：
", estimator.coef_)
    print("梯度下降-偏置为：
", estimator.intercept_)

    # 6）模型评估
    y_predict = estimator.predict(x_test)
    print("预测房价：
", y_predict)
    error = mean_squared_error(y_test, y_predict)
    print("梯度下降-均方误差为：
", error)

    return None

 

拓展-关于优化方法GD、SGD、SAG

 GD

梯度下降(Gradient Descent)，原始的梯度下降法需要计算所有样本的值才能够得出梯度，计算量大，所以后面才有会一系列的改进。

 SGD

随机梯度下降(Stochastic gradient descent)是一个优化方法。它在一次迭代时只考虑一个训练样本。

• SGD的优点是：
  • 高效
  • 容易实现
• SGD的缺点是：
  • SGD需要许多超参数：比如正则项参数、迭代数。
  • SGD对于特征标准化是敏感的。

SAG

随机平均梯度法(Stochasitc Average Gradient)，由于收敛的速度太慢，有人提出SAG等基于梯度下降的算法

Scikit-learn：SGDRegressor、岭回归、逻辑回归等当中都会有SAG优化

总结

• 线性回归的损失函数-均方误差
• 线性回归的优化方法
  • 正规方程
  • 梯度下降
• 线性回归的性能衡量方法-均方误差
• sklearn的SGDRegressor API 参数