实验四

线性回归和线性分类器

最小二乘法（OLS）

• 线性模型的定义：

  $$\mathbf{y}=\mathbf{X}w+ϵ$$

  其中，$y\in {\mathbb{R}}^n$ 为因变量（目标变量，列向量），$w$ 为模型的权重（列向量），$X$ 为观测得到的特征矩阵（ $n\times (m+1)$ ，秩为 $m+1$ ），$ϵ$ 为随机不可测误差。

  • 模型的限制：
    • 随机误差的数学期望为 $0$
    • 随机误差具有等分散性（相同的有限方差）
    • 随机误差不相关

• 无偏（Unbiased）估计：期望值与估计参数真实值相等。

  $$\mathbb{E}\left[{\hat{w}}_i\right]=w_i$$

• OLS 均方误差公式：

  $$\begin{array}{rcl}\mathcal{L}(\mathbf{X},\mathbf{y},\mathbf{w})& =& \frac{1}{2n}\sum _{i=1}^n(y_i-{\mathbf{w}}^{\mathrm{T}}{\mathbf{x}}_i{)}^2\\ & =& \frac{1}{2n}{\Vert \mathbf{y}-\mathbf{X}\mathbf{w}\Vert }_2^2\\ & =& \frac{1}{2n}(\mathbf{y}-\mathbf{X}\mathbf{w}{)}^{\mathrm{T}}(\mathbf{y}-\mathbf{X}\mathbf{w})\end{array}$$

• OLS 对参数求导：

  $$\begin{array}{rcl}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \mathbf{w}}& =& \frac{1}{2n}(-2{\mathbf{X}}^{\text{T}}\mathbf{y}+2{\mathbf{X}}^{\text{T}}\mathbf{X}\mathbf{w})\end{array}$$$$\begin{array}{rcl}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \mathbf{w}}=0& \iff & \mathbf{w}={\left({\mathbf{X}}^{\text{T}}\mathbf{X}\right)}^{-1}{\mathbf{X}}^{\text{T}}\mathbf{y}\end{array}$$

• 基于定义和条件，根据高斯-马尔可夫定理，模型参数的 OLS 估计是所有线性无偏估计中最优的，即通过 OLS 估计可以获得最低的方差。

• 若不选择最小化均方误差，那么就不满足高斯-马尔可夫定理的条件，得到的估计将不再是最佳的线性无偏估计。

极大似然估计（MLE）

• 伯努利分布：如果一个随机变量只有两个值（1 和 0，相应的概率为 $\theta$ 和 $1-\theta$​ ），那么该随机变量满足 伯努利分布 ，遵循以下概率分布函数：

  $$p(\theta ,x)={\theta }^x(1-\theta {)}^{1-x},x\in \{0,1\}$$

  其中，分布参数 $\theta$ 就是事件 $X$ 的 概率估计 。

  对于多次独立试验，记观测结果为 $\mathbf{x}=(x_1,x_2,\dots ,x_{400})$ ，其 似然 为

  $$p(\mathbf{x};\theta )=\prod _{i=1}^{400}{\theta }^{x_i}(1-\theta {)}^{(1-x_i)}$$

• 正态分布：若随机变量 $\mathbf{X}$ 服从位置参数为 $\mu$ 、尺度参数为 $\sigma$ 的概率分布，且其概率密度函数为

  $$f(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }\sigma }{e}^{-\frac{(x-\mu {)}^2}{2{\sigma }^2}}$$

  则该变量称为 正态随机变量 ，其服从 正态分布 。当 $\mu =0,\sigma =1$​ 时，其定义为 标准正态分布 。

  $$f(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }}{e}^{(-\frac{x^2}{2})}$$

• 假设随机误差 $ϵ\sim \mathcal{N}(0,{\sigma }^2)$ ，改写模型可得

  $$y_i\sim \sum _{j=1}^m{w}_j{X}_{ij}+\mathcal{N}(0,{\sigma }^2)$$$$p(y_i|\mathbf{X};\mathbf{w})=\mathcal{N}(\sum _{j=1}^m{w}_j{X}_{ij},{\sigma }^2)$$

  根据 高斯-马尔科夫定理 的 误差不相关约束 ，将似然求对数，可得

  $$\log p(\mathbf{y}|\mathbf{X};\mathbf{w})=-\frac{n}{2}\log 2\pi {\sigma }^2-\frac{1}{2{\sigma }^2}\sum _{i=1}^n(y_i-{\mathbf{w}}^T{x}_i{)}^2$$

  对其最大化，可得

  $${\mathbf{w}}_{\text{ML}}=\arg \underset{w}{min}\mathcal{L}(\mathbf{X},\mathbf{y},\mathbf{w})$$

  所以，当测量误差服从正态（高斯）分布的情况下， 最小二乘法等价于极大似然估计。

偏置-方差分解

• 线性回归模型的要求：

  • 目标真值是确定性函数与随机误差之和：$y=f(x)+ϵ$
  • 误差符合均值为零、方差一致的正态分布：$ϵ\sim \mathcal{N}(0,{\sigma }^2)$
  • 目标真值也服从正态分布：$y\sim \mathcal{N}(f(x),{\sigma }^2)$

• 点 $\mathbf{x}$ 的误差可以被分解为三部分：

  $$\text{Err}(\mathbf{x})=\text{Bias}{\left(\hat{f}\right)}^2+\text{Var}\left(\hat{f}\right)+{\sigma }^2$$

  其中，

  • $\text{Bias}(\hat{f})$ 为 偏置 ，它度量了学习算法的期望输出与真实结果的偏离程度，刻画了算法的拟合能力；
  • $\text{Var}\left(\hat{f}\right)$ 为 方差 ，它代表「同样大小的不同的训练数据集训练出的模型」与「这些模型的期望输出值」之间的差异。
  • ${\sigma }^2$ 为 不可消除误差 ，它刻画了当前任务任何算法所能达到的期望泛化误差的下界，即刻画了问题本身的难度。

• 当模型计算量增加（自由参数数量增加），模型的方差增加、偏置下降，可能导致过拟合。当模型计算量太少（自由参数数量太少），可能导致欠拟合。

• 高斯-马尔科夫定理表明，在线性模型参数估计问题中，OLS 估计是最佳的线性无偏估计。对于所有无偏线性模型 $g$ ， $\text{Var}(\hat{f})\le \text{Var}(g)$ 。

线性回归的正则化

在一些情形下，会为了稳定性（降低模型的方差）而导致模型的偏置 $\text{Bias}(\hat{f})$ 提高。高斯-马尔可夫定理成立的条件之一就是矩阵 $\mathbf{X}$ 是满秩的，否则矩阵 ${\mathbf{X}}^{\text{T}}\mathbf{X}$ 为奇异矩阵（退化矩阵），其逆矩阵 $({\mathbf{X}}^{\text{T}}\mathbf{X}{)}^{-1}$ 不存在，使得 OLS 的解 $({\mathbf{X}}^{\text{T}}\mathbf{X}{)}^{-1}{\mathbf{X}}^{\text{T}}\mathbf{y}$ 也不存在。这类问题被称为 病态问题 ，必须通过 正则化过程 加以矫正。

• 吉洪诺夫（Tikhonov）正则化：在均方误差的中加入新变量

  $$\mathcal{L}(\mathbf{X},\mathbf{y},\mathbf{w})=\frac{1}{2n}{\Vert \mathbf{y}-\mathbf{X}\mathbf{w}\Vert }_2^2+{\Vert \mathrm{\Gamma }\mathbf{w}\Vert }^2$$

• 吉洪诺夫矩阵：$\mathrm{\Gamma }=\frac{\lambda }{2}E$ ，可以将最小化均方误差问题变为 L2正则化问题 ，其解为

  $$\mathbf{w}={({\mathbf{X}}^{\text{T}}\mathbf{X}+\lambda \mathbf{E})}^{-1}{\mathbf{X}}^{\text{T}}\mathbf{y}$$

这一类回归问题被称为 岭回归（Ridge Regression） ，「岭」指的是对角矩阵，它可以保证 ${\mathbf{X}}^{\text{T}}\mathbf{X}$ 是一个正则矩阵。

岭回归降低了方差，但增加了偏置。参数的正则向量也被最小化，使得解向 $\overrightarrow{\mathbf{0}}$ 移动。

线性分类

• 基本思路：目标分类的值可以被特征空间中的一个超平面分开。

• 如果这可以无误差地达成，那么训练集被称为 线性可分 。

• 对于二分类问题，将正例和反例分别记为 $+1$ 和 $-1$ ，则线性分类器可以通过回归进行定义：

  $$a(\mathbf{x})=\text{sign}({\mathbf{w}}^{\text{T}}\mathbf{x})$$

  其中，

  • $\mathbf{x}$ 是特征向量（包括标识）。
  • $\mathbf{w}$ 是线性模型中的权重向量（偏置为 $w_0$）。
  • $\text{sign}(\bullet )$ 是符号函数，返回参数的符号。
  • $a(\mathbf{x})$ 是分类 $\mathbf{x}$ 的分类器。

基于逻辑回归的线性分类器

逻辑回归是线性分类器的一个特殊情形，但逻辑回归有一个额外的优点：它可以预测样本 ${\mathbf{x}}_{\text{i}}$ 为分类「+」的概率 $p_{+}$：

$$p_{+}=P(y_i=1\mid {\mathbf{x}}_{\text{i}},\mathbf{w})=\sigma ({\mathbf{w}}^{\text{T}}\mathbf{x})$$

首先使用 OLS 构造预测

$$b(\mathbf{x})={\mathbf{w}}^{\text{T}}\mathbf{x}\in \mathbb{R}$$

随后，使用 Sigmoid 函数 将预测值压缩到 $[0,1]$ 区间

$$\sigma (z)=\frac{1}{1+e^{-z}}$$

极大似然估计与逻辑回归

• 向量 $\overrightarrow{{\mathbf{x}}_A}$ 与平面 ${\mathbf{w}}^{\text{T}}\mathbf{x}=0$ 的距离定义为

  $$\rho ({\mathbf{x}}_{\mathbf{A}},{\mathbf{w}}^{\text{T}}\mathbf{x}=0)=\frac{{\mathbf{w}}^{\text{T}}{\mathbf{x}}_{\mathbf{A}}}{\parallel \mathbf{w}\parallel }$$

  表达式 ${\mathbf{w}}^{\text{T}}{\mathbf{x}}_{\text{i}}$ 的绝对值越大，点 ${\mathbf{x}}_{\text{i}}$ 离平面 ${\mathbf{w}}^{\text{T}}\mathbf{x}=0$ 的距离就越远。

• 逻辑损失函数定义为

  $${\mathcal{L}}_{\log }(\mathbf{X},\mathbf{y},\mathbf{w})=\sum _{i=1}^{\ell }\log (1+{\exp }^{-y_i{\mathbf{w}}^{\text{T}}{\mathbf{x}}_{\text{i}}})$$

  用分类边缘 $M(x_i)$ 改写损失函数，则有 $L(M)=\log (1+e^{-M})$ 。

逻辑回归的 L2 正则化

其正则化过程和岭回归类似，最小化以下等式

$$\mathcal{J}(\mathbf{X},\mathbf{y},\mathbf{w})={\mathcal{L}}_{\log }(\mathbf{X},\mathbf{y},\mathbf{w})+\lambda |\mathbf{w}{|}^2$$

在逻辑回归中，一般使用正则化系数的倒数 $C=\frac{1}{\lambda }$ ：

$$\hat{\mathbf{w}}=\arg \underset{\mathbf{w}}{min}\mathcal{J}(\mathbf{X},\mathbf{y},\mathbf{w})=\arg \underset{\mathbf{w}}{min}(C\sum _{i=1}^{\ell }\log (1+{\exp }^{-y_i{\mathbf{w}}^{\text{T}}{\mathbf{x}}_{\text{i}}})+|\mathbf{w}{|}^2)$$

验证和学习曲线

• 简单模型的训练误差和验证误差很接近，且都比较大。这暗示模型欠拟合，参数数量不够多。
• 高度复杂模型的训练误差和验证误差相差很大，这暗示模型过拟合。当参数数量过多或者正则化不够严格时，算法可能被数据中的噪声「转移注意力」，没能把握数据的整体趋势。

数据对于模型的影响（学习曲线）

• 事先固定模型的参数，将误差视为训练集样本数量的函数，改变训练集大小，查看模型质量与训练集数据量之间的依赖关系。
• 对于少量数据而言，训练集和交叉验证集之间的误差差别（方差）相当大，这暗示了过拟合。
• 同样的模型，使用大量数据，误差「收敛」，暗示了欠拟合。
• 加入更多数据，该训练集的误差不会增加，且该验证集上的误差也不会下降。
• 尽管曲线收敛，但学习曲线和验证曲线普遍下移（AUC值下降），同样暗示过拟合。