机器学习02线性回归、多项式回归、正规方程

单变量线性回归（Linear Regression with One Variable）



预测器表达式：



选择合适的参数（parameters）θ0 和 θ1，其决定了直线相对于训练集的准确程度。

建模误差（modeling error）：训练集中，模型预测值与实际值之间的差距。

目标：选出使建模误差平方和最小的模型参数，即损失函数最小。

损失函数（Cost Function）：





可以看出在三维空间中存在一个使得 J(θ0,θ1)最小的点。

梯度下降算法（Gradient Descent）：

批量梯度下降（batch gradient descent）算法的公式为：



总结：

1、先确定预测模型，然后确定损失函数；



2、使用梯度下降算法，让损失函数最小化，此时的参数可使预测模型的经验误差达到最优。



————————————————————————————————————————————————

多变量线性回归（Linear Regression with Multiple Variables）


















为了简化公式，引入 x0=1。

此时模型中的参数是一个 n+1 维的向量，任何一个训练实例也都是 n+1 维的向量，特征矩阵 X 的维度是 m*(n+1)。

公式可以简化为：



多变量线性回归代价函数，这个代价函数是所有建模误差的平方和：



多变量线性回归的批量梯度下降算法为：



即：





开始随机选择一系列的参数值， 计算所有的预测结果后， 再给所有的参数一个新的值，如此循环直到收敛。

————————————————————————————————————————————————————————

梯度下降算法实践1——特征缩放
Feature Scaling



将所有特征的尺度都尽量缩放到-1 到 1 之间。





梯度下降算法实践 2——学习率

梯度下降算法的每次迭代受到学习率的影响：

如果学习率 α 过小， 则达到收敛所需的迭代次数会非常高；

如果学习率 α 过大，每次迭代可能不会减小代价函数，可能会越过局部最小值导致无法收敛。

通常可以考虑尝试些学习率： α=0.01，0.03，0.1，0.3，1，3，10

————————————————————————————————————————————————————————

多项式回归（ Polynomial Regression）

线性回归并不适用于所有数据， 有时需要曲线来适应数据。

比如一个二次方模型：



或者三次方模型：



通常需要先观察数据然后再决定准备尝试怎样的模型。

根据函数图形特性，还可以使用：



注：如果采用多项式回归模型，在运行梯度下降算法前，特征缩放非常有必要。

————————————————————————————————————————————————————————

正规方程（Normal Equation）

正规方程通过求解下面的方程来找出使得代价函数最小的参数：



假设训练集特征矩阵为 X（包含了 x0=1），训练集结果为向量 y

则利用正规方程解出向量：





总结：

只要特征变量的数目并不大，标准方程是一个很好的计算参数 θ 的替代方法。

具体地说， 只要特征变量数量小于一万， 通常使用标准方程法， 而不使用梯度下降法。

c2b3

随着学习算法越来越复杂，例如，分类算法，逻辑回归算法， 并不能使用标准方程法。

对于那些更复杂的学习算法，将仍然使用梯度下降法。

因此，梯度下降法是一个非常有用的算法，可以用在有大量特征变量的线性回归问题。

或者在以后课程中，会讲到的一些其他的算法，因为标准方程法不适合或者不能用在它们上。

但对于这个特定的线性回归模型， 标准方程法是一个比梯度下降法更快的替代算法。

所以，根据具体的问题，以及你的特征变量的数量，这两种算法都是值得学习的。

不可逆性：

X'X 的不可逆的问题很少发生

第一个原因：一个线性方程的两个特征值是线性相关的，矩阵 X'X 不可逆；

第二个原因：用大量的特征值，尝试实践学习算法的时候，可能会导致矩阵 X'X 不可逆。

通常，使用一种叫做正则化的线性代数方法，通过删除某些特征或者是使用某些技术，来解决当 m 比

n 小的时候的问题。即使你有一个相对较小的训练集，也可使用很多的特征来找到很多合适的参数。