工資和年齡都會影響最終銀行貸款的結果. 那么它們各自有多大的影響呢?

通俗解釋

X1, X2 代表我們的兩個特征: 年齡和工資. Y 代表銀行最終會借給我們多少錢.

找到最合適的一條線 (想象一個高維 ) 來最好的擬合我們的數據點. 如下圖所示:

數學推導

假設 θ1 代表年齡的參數, θ2 代表工資的參數, 那么:

注: θ0 為偏置頂, 相當于 C

線性模型, 中的向量 θ 值. 客觀的表達了各屬性在預測中的重要性, 因此線性模型有很好的解釋性. 對于這種 “多特征預測” 也就是 (多元線性回歸), 那么線性回歸就是在這個基礎上得到這些 θ 的值. 然后以這些值來建立模型, 預測試數據. 簡單的來說就是學得一個線性模型以盡可能準確的預測實際輸出標記.

那么如果對于多變量線性回歸來說我們可以通過向量的方式來表示 θ 值與特征 X 值之間的關系:

兩向量相乘, 結果為一個整數是估計值. 其中所有特征集合的第一個特征值 x0=1, 那么我們可以通過通用的向量公式來表示性模型:

誤差

真實值和預測值之間肯定是要存在差異的. 對于每個樣本:

注: ε 代表誤差

誤差ε^(i)是獨立并且具有相同的分布, 并且服從均值為 0 方差為θ^2的正態分布 (normal distribution).

獨立: 凹凸曼和馬保國一起來貸款, 不可能因為馬保國貸款了 30 個億, 就少給凹凸曼錢.

預測值與誤差:

誤差服從高斯分布:

將 1 式帶入 2 式:

似然函數:

對數似然函數:

簡化:

讓似然函數越大越好 (最小二乘法):

目標函數:

求偏導:

偏導等于 0:

評估方法

最常用的評估項 R^2:

R^2 的取值越接近于 1 我們認為模型擬合的越好.

梯度下降

上面誤差公式是一個通式, 我們取兩個單個變量來求最小值. 目標函數:

尋找山谷的最低點, 也就是我們的目標函數終點 (什么樣的參數能使得目標函數達到極值點)

下山分幾步走呢?

找到當前最合適的方向走一小步按照方向與步伐去更新我們的參數

目標函數:

學習率 (learning_rate): 對結果影響較大, 越小越好.

數據批次 (batch_size): 優先考慮內存和效率, 批次大小是次要的.

批量梯度下降

目標

容易得到最優解, 但是由于每次考慮所有樣本, 速度很慢.

隨機梯度下降

每次找一個樣本， 迭代速度快， 但不一定每次都朝著收斂的反向.

小批量梯度下降法

案例一

波士頓房價預測

from sklearn.datasets import load_boston
from sklearn.linear_model import LinearRegression, SGDRegressor
from sklearn.metrics import mean_squared_error
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler


def mylinear():
    """
    線性回歸直接預測房子價格
    :return: None
    """

    # 獲取數據
    lb = load_boston()

    # 分割數據記到訓練集和測試集
    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(lb.data, lb.target, test_size=0.25)

    # 進行標準化處理, 目標值處理
    # 特征值和目標是都必須進行標準化處理, 實例化兩個標準化API
    std_x = StandardScaler()

    x_train = std_x.fit_transform(x_train)
    x_test = std_x.fit_transform(x_test)

    # 目標值
    std_y = StandardScaler()

    y_train = std_y.fit_transform(y_train.reshape(-1, 1))
    y_test = std_y.fit_transform(y_test.reshape(-1, 1))

    # estimator預測
    # 正規方程求解方式預測結果
    lr = LinearRegression()

    lr.fit(x_train, y_train)
    print(lr.coef_)

    # 預測測試集房子價格
    y_lr_predict = std_y.inverse_transform(lr.predict(x_test))
    print("正規方程式測試集里面每個房子的預測價格: ", y_lr_predict)
    print("正規方程的均方誤差: ", mean_squared_error(std_y.inverse_transform(y_test), y_lr_predict))

    # 梯度下降去進行房價預測
    sgd = SGDRegressor()

    sgd.fit(x_train, y_train)
    print(sgd.coef_)

    # 預測測試集的房子價格
    y_sgd_predict = std_y.inverse_transform(sgd.predict(x_test))
    print("梯度下降式測試集里面每個房子的預測價格: ", y_sgd_predict)
    print("梯度下降的均方誤差: ", mean_squared_error(std_y.inverse_transform(y_test), y_sgd_predict))

    return None


if __name__ == "__main__":
    mylinear()

輸出結果:
[[-0.12225698 0.12791281 -0.00206122 0.05700013 -0.2608399 0.28139416
0.01481249 -0.33807474 0.3299154 -0.23182836 -0.21123181 0.09206512
-0.39973041]]
正規方程式測試集里面每個房子的預測價格: [[28.95666718]
[25.61614205]
[24.20558764]
[19.30978406]
[35.89982059]
[29.03187299]
[26.34111014]
[19.46710495]
[20.6689787 ]
[29.93653292]
[25.11165216]
[32.91673513]
[19.84546548]
[23.5563843 ]
[21.79474763]
[15.75074992]
[19.80615694]
[12.98286759]
[27.59995691]
[19.00192788]
[36.16248095]
[19.2767701 ]
[16.52561836]
[23.05284655]
[16.59241324]
[25.66405442]
[30.7677223 ]
[19.86797053]
[ 9.39422797]
[27.10530759]
[27.17712717]
[39.44877655]
[10.03000383]
[15.42825832]
[23.13702928]
[14.52254261]
[19.38595173]
[29.06816506]
[36.30187936]
[22.5685246 ]
[ 9.88826283]
[21.33573342]
[31.3551175 ]
[16.18170604]
[27.59483437]
[31.66145736]
[14.31706514]
[24.46295319]
[17.51893204]
[19.35269608]
[24.26523283]
[24.86190305]
[25.11947262]
[28.93202524]
[15.75107827]
[13.3417495 ]
[22.59649735]
[29.00114487]
[12.20666867]
[30.63609004]
[21.96199386]
[27.06032461]
[25.1791211 ]
[17.97595194]
[41.57497749]
[21.43625394]
[24.28803424]
[16.5167138 ]
[19.38589021]
[ 8.06164985]
[23.7550887 ]
[12.10636177]
[23.67230518]
[31.52266655]
[19.30684626]
[20.31342004]
[25.13624205]
[18.6725454 ]
[34.44267213]
[19.76331507]
[33.68001958]
[17.21843608]
[11.93697393]
[20.10130687]
[20.60069168]
[33.02551169]
[12.20848437]
[11.34921413]
[36.81923651]
[43.09091788]
[24.5904135 ]
[27.19519096]
[13.42695648]
[21.31070858]
[18.78980458]
[26.7739455 ]
[21.04064808]
[19.37399749]
[20.61932093]
[12.70789542]
[27.30728839]
[29.19812469]
[18.2215341 ]
[14.88442393]
[13.08985585]
[37.26784993]
[23.0054703 ]
[45.03638993]
[24.43103986]
[ 9.70593527]
[ 7.20755399]
[24.11659246]
[16.87989582]
[23.8839 ]
[36.74286927]
[17.52801739]
[21.14217981]
[ 8.33442145]
[20.77366903]
[25.11687425]
[34.79817667]
[17.48069049]
[ 7.79217297]
[21.46168783]
[12.12750804]
[23.37886385]
[13.03642996]]
正規方程的均方誤差: 19.228239448103142
[-0.10382102 0.09549223 -0.0575206 0.06192685 -0.17919477 0.31416038
-0.0060828 -0.2718829 0.16557575 -0.09171927 -0.19702721 0.09358103
-0.38969764]
梯度下降式測試集里面每個房子的預測價格: [28.32281003 25.30899723 24.37354695 19.81132568 35.86134383 29.54339861
26.40901657 19.91790232 21.08280077 30.8745518 25.04025974 32.61880171
20.06776623 23.27211209 21.49391276 15.07364423 19.3604463 13.24307268
27.91816594 18.46564888 36.5121198 18.60090036 17.07584378 23.61453885
15.44119731 26.55848283 30.95932966 20.48910926 8.92774087 25.64122283
26.5405097 39.56312391 9.60876044 16.194631 21.86126606 14.3384503
19.6672515 28.37094255 37.13748452 22.56961348 10.95474568 21.31897902
31.99623025 16.32155785 27.56422641 31.91738771 16.07941322 25.21406318
17.07667764 18.61941274 23.61541029 25.09956295 24.16633871 29.24889477
16.17014144 13.52204965 21.76470038 28.75088192 11.39083277 29.94854783
21.97184713 26.76638021 25.37366415 17.75713168 42.17712979 21.44617697
24.65166416 15.74898705 19.28498974 7.18254411 23.64316345 12.17079475
23.22062874 30.81709679 19.39958374 20.53408606 25.34565728 18.55272456
33.84685681 19.4801645 33.86657711 17.02691146 11.07262797 20.44699002
20.83170047 32.66795247 11.2561216 11.94847677 35.85096014 42.30377951
24.56324407 27.96815655 13.30901928 22.23063794 19.1259557 27.02051826
21.39186325 20.33181273 21.29435341 11.25823767 27.67529642 30.095733
18.76124598 13.85728059 14.68490838 37.53663617 22.46940546 45.09885288
24.49884024 10.51414764 7.91453997 23.66015594 17.30342205 24.23971059
36.76137912 16.98059079 21.46394599 7.28066947 20.76359414 24.55927982
35.63307238 16.9695351 7.33008978 21.71197098 12.31280728 22.41710171
13.31011409]
梯度下降的均方誤差: 19.28139772207173

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