理解线性回归

线性回归是利用数理统计回归分析，来确定变量之间的依赖关系的统计分析方法。如何理解呢，其实就是要寻找数据规律，以便根据数据规律，对新的变量条件进行结果推断。放到数学中来，就是把这个规律看成一个函数，要想办法求解出这个函数的各个参数。可以想像解方程，只不过这里要找的不是方程中的x、y、z，而是寻找合适的系数。

上图中有许多的二维数据点，通过观察发现这些点貌似是有一些规律的，通过描绘蓝色直线可以很直接的观察到，这些数据点围绕在这条直线的周围，并沿着直线的方向进行延伸。这条直线其实就是我们要找的规律。那这条直接怎么样来找呢？找到的直线是不是最好的呢？如果这些点到直线的距离之和如果最小，那这条直接应该就是我们期望的直线（这是svm的思路，寻找一个分割面，能让所有点到分割面距离和最小），但这里我们换一种思路，如果所有数据点的y值与x落在直线上的y值的差值距离的和最小，这条直线也应该是我们期望的。

假设这条直线的函数为 f(x) = y = a * x + b , 其中a和b就是我们要寻找到系数，x和y分别是数据点的横坐标值和纵坐标值。假设这里有n个数据点，第k个点的y值就是y_k，上面描述的最小距离和就可以表示为 |f(x_k) - y_k|，也可以直接用(f(x_k) - y_k)²替代(L2)，这样不用考虑绝对值的正负区间情况。那么现在就是要找一个合适的a和b，让所有点的(f(x_k) - y_k)²的和最小。需要注意的是，这里的x和y都是已经知道的数据点，而系数是未知数据。我们为所有点的(f(x_k) - y_k)²的和命名为J函数，它的未知变量其实就是a、b，最后表示为J(a,b)，在多维的情况下可以用一个向量θ表示所有的参数，写成J(θ)。

现在就是想办法求这个系数的函数的最小值，我们能想像J会是一个有谷底的图形，而谷底就是斜度接近或者是0的地方（不能排除有的时候会有多个谷底，你只找到了一个其中一个，但不是最底的那个，就所谓局部最优和全局最优的区别）。

斜度的计算可以对J(a,b)进行求导，为方便可以对a和b两个维度分别进行偏导，也就是分别看a和b维度的斜度。可以想像自己站在谷顶某处，要下到谷底，可以向左下一段，再向右下一段，再交替着一直走下山。

 

对求导不熟悉的可以参考上图，就是在某a点求J(a)的极限，也就是微增量ΔJ / 微增量Δa。 我们省略了求导后得到的系数2，这不影响找最小值。

这里其实理论上可以命J’函数为0，带入各数据点来求解a、b，但实际处理时数据噪音以及量级和维度的量级，不方便求解。这里就可以用梯度下降算法了，这里我们将用随机梯度下降方法，在一组简单的数据上，手工进行下降的训练。梯度下降是一种小步逐步逼近最低点的方法，一开始先随机选一个a作为起点，然后选定一个合适的步进量α，用α * J(a)’作为a方向上一次移动的长度，那到底是向左还是向右移动呢？通过观察，如果是在最低点的右侧，斜度是正值，我们要逼近最低点，应该是向左走；如果是在最低点的左侧，斜度是负值，则要向右走，所以应该用a - α * J(a)’，这样就可以向最低点方向走了。α的值一定要选的合适，太小会让逼近的过程太久，太大会出现老是走过了的情况。最后得到了以下公式。b维度的也是类似的。再接下来就可以将数据点的x、y值带入到公式，循环执行，直到a、b都收缩到趋于稳定的状态，也就是α * J(a)’和α * J(b)’已经小于设定的阈值。

 

  

 

这里我们来一些数据，假设我们有这么一组x、y的数据，y有一些是未知的值，我们需要推测它们是什么值。从已知的值我们很容易知道y = 2x - 1，现在就用随机梯度进行a、b的寻找。

 

随机梯度下降不需要每次用全量的数据，每次随机取一个或一部分进行训练，可以减少运算快速达到结果。因为每次只取一个数据点，所以上面的函数不再需要求和，a、b的推导可以简化为以下式子。

如果每次都先计算好了a，计算b的时候可以把当次的a代入来使用，则b的推导变成：

假设a初始值为1、b初始值为0，（这里的初始值可以随机选取），设定步进量为0.01，然后依次或随机选取一对x、y的值带入到上面的a_t+1和b_t+1中计算a和b的值，这里需要重复很多次，你会发现a、b的值有时候会出现反复，但大的趋势上来看，是在逐步的靠近a=2、b=-1。以上过程可以直接用excel来进行，会写程序的可以设置循环次数或者判断α * J’的大小，当小于阈值时退出。

附上excel文件 随机梯度excel