线性回归模型
线性回归模型（linear regression）
1.模型定义
给定数据集，$$T={(x{(1)},y{(1)}),(x{(2)},y{(2)}),...,(x{(m)},y{(m)})}$$，其中$$x{(i)}=(1, x_1, x_2, ..., x_n)T\in X= R{n+1}$$，$$y{(i)}\in Y=R$$，线性回归模型试图学到一个通过属性的线性组合来进行预测的函数，即
$$ f(x)=w_1x_1+w_2x_2+...+w_nx_n+b $$
一般用向量写成：
$$ f(x)=w^T\cdot x+b $$
其中$$w=(w_1, x_2, ..., w_n)T\in R{n}$$，$$b\in R$$，使得$$f(x)\simeq y$$。
如何确定$$w$$和$$b$$呢，显然关键在于如何衡量$$f(x)$$与$$y$$之间的差别。均方误差是最常用的性能度量，因此我们可以试图让均方误差最小化，即：
$$ \min_{w,b} L(w,b)=\displaystyle\sum_{i=1}m(f(x{(i)})-y{(i)})2 $$
$$ =\displaystyle\sum_{i=1}m(wT\cdot x{(i)}+b-y{(i)})^2 $$
均方误差有非常好的几何意义，它对应了常用的欧几里得距离或简称“欧氏距离”（Euclidean distance）。基于均方误差最小化来进行模型求解的方法称为“最小二乘法”（least square method）。在线性回归中，最小二乘法是试图找到一条直线，使得所有样本到直线上的欧氏距离之和最小。
求解$$w$$和$$b$$，使$$ L(w,b)=\displaystyle\sum_{i=1}m(f(x{(i)})-y{(i)})2$$最小化的过程，称为线性回归模型的最小二乘“参数估计”（parameter estimation）。令$$w_0=b$$，$$x_0=1$$，则$$w=(w_0,w_1, w_2, ..., w_n)T$$，$$x=(x_0, x_1, x_2, ..., x_n)T$$，原式转换为：
$$ f(x)=w^T\cdot x $$
$$ \min_{w} L(w)=\displaystyle\sum_{i=1}m(wT\cdot x{(i)}-y{(i)})^2 $$
对其求导，可得：
$$ \dfrac{\partial L(w,b)}{\partial w_j}=\dfrac{\partial \displaystyle\sum_{i=1}m(wT\cdot x{(i)}-y{(i)})^2}{\partial w_j} $$
$$ =\displaystyle\sum_{i=1}m2(wT\cdot x{(i)}-y{(i)})x^{(i)}_j $$
得到梯度向量：
$$ \nabla L(w)= \displaystyle\sum_{i=1}m(wT\cdot x{(i)}-y{(i)})x^{(i)} $$
假定：
$$X= \begin{bmatrix} (x{(1)})T \ (x{(2)})T \ (x{(3)})T \ ... \ ( x{(m)} )T \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & x{(1)}_1 & x{(1)}_2 & ... & x{(1)}_n \ 1 & x{(2)}_1 & x{(2)}_2 & ... & x{(2)}_n \ 1 & x{(3)}_1 & x{(3)}_2 & ... & x{(3)}_n \ ... \ 1 & x{(m)}_1 & x{(m)}_2 & ... & x{(m)}_n \end{bmatrix}$$，$$Y=\begin{bmatrix} y{(1)} \ y{(2)} \ y{(3)} \ ... \ y{(m)} \end{bmatrix}$$，$$w=\begin{bmatrix} w_0 \ w_1 \ w_2 \ ... \ w_n \end{bmatrix}$$
则：
$$ X\cdot w= \begin{bmatrix} 1 & x{(1)}_1 & x{(1)}_2 & ... & x{(1)}_n \ 1 & x{(2)}_1 & x{(2)}_2 & ... & x{(2)}_n \ 1 & x{(3)}_1 & x{(3)}_2 & ... & x{(3)}_n \ ... \ 1 & x{(m)}_1 & x{(m)}_2 & ... & x{(m)}_n \end{bmatrix}\cdot \begin{bmatrix} w_0 \ w_1 \ w_2 \ ... \ w_n \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} (x{(1)})T\cdot w \ (x{(2)})T\cdot w \ (x{(3)})T\cdot w \ ... \ (x{(m)})T\cdot w \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} wT \cdot x{(1)} \ wT \cdot x{(2)} \ wT \cdot x{(3)} \ ... \ wT \cdot x{(m)} \end{bmatrix} $$
$$ X\cdot w-Y =\begin{bmatrix} wT \cdot x{(1)}-y{(1)} \ wT \cdot x{(2)}-y{(2)} \ wT \cdot x{(3)}-y{(3)} \ ... \ wT \cdot x{(m)}-y{(m)} \end{bmatrix} $$
$$ XT\cdot (X\cdot w-Y )=\begin{bmatrix} x{(1)} & x{(2)} & x{(3)} & ... & x{(m)} \end{bmatrix}\cdot \begin{bmatrix} wT \cdot x{(1)}-y{(1)} \ wT \cdot x{(2)}-y{(2)} \ wT \cdot x{(3)}-y{(3)} \ ... \ wT \cdot x{(m)}-y^{(m)} \end{bmatrix} $$
于是得到：
$$ \nabla L(w)=2 X^T\cdot (X\cdot w-Y ) $$
令一方面$$L(w)$$也可以表示成：
$$ L(w)=(X\cdot w-Y)T\cdot (X\cdot w-Y)=(wT XTX w -2wTXTY+YT Y) $$
对$$w$$求导，同样可以得到梯度。
欲求的最优解，令梯度为0，
$$ \nabla L(w)=2 XT\cdot X\cdot w-2 XT\cdot Y =0 $$
则得到：
$$ w=(XT\cdot X){-1}\cdot X^T\cdot Y $$
于是最终得到线性模型：
$$ f(x)=wT\cdot x=xT\cdot (XT\cdot X){-1}\cdot X^T\cdot Y $$
令$$X\dagger =(XT\cdot X){-1}\cdot XT$$，称为**伪逆(**seudo-inverse)，代入得到。
$$ f(x) = xT\cdot X\dagger\cdot Y $$
2.学习算法
2.1 Normal Equations
计算$$w=(XT\cdot X){-1}\cdot XT\cdot Y$$，直接得到模型$$f(x)=wT\cdot x$$
但是计算矩阵的逆是非常费时的事情，$$X^T_{n\times m}\cdot X_{m\times n}=Z_{n\times n}$$，因此当特征数量比较多时，偏向于用梯度下降法。
2.2 批量梯度下降（Batch Gradient Descent）
**输入：**训练数据集$$T={(x{(1)},y{(1)}),(x{(2)},y{(2)}),...,(x{(m)},y{(m)})}$$，其中$$x{(i)}\in X= Rn$$，$$y{(i)}\in Y=Rn$$，$$i=1,2,...,m$$，学习率$$\eta(0<\eta\leqslant1)$$；
输出：$$w=(w_1, w_2, ..., w_n)T$$和$$b$$，模型$$f(x)=wT\cdot x+b$$
**1）**将输入的每个$$x{(i)}$$转换成$$x{(i)}=(1, x_1, x_2,...x_n)$$，令$$w_0=b$$，则输出为$$w=(w_0, w_1, w_2, ..., w_n)^T$$
**2）**选取初始$$w{(0)}=(w_0, w_1, w_2, ..., w_n)T$$
**3）**计算梯度$$XT\cdot (X\cdot w{(j)}-Y )$$，这里略去系数2，其中$$w^{(j)}$$为第$$j$$次迭代的结果，则第$$j+1$$迭代：
$$ w{(j+1)} \gets w{(j)} - \eta XT\cdot (X\cdot w{(j)}-Y ) $$
**4）**转到步骤（3），一直到满足一定条件，或者迭代到足够的次数。
在批量梯度下降算法中，每一步的迭代都需要计算所有样本，当样本数较大时，计算量会很大。
2.3 随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent）
将上面的步骤（3）改为：
3） 随机选取某个样本$$x^{(j)}$$，则：
$$ w{(j+1)} \gets w{(j)} - \eta ((w{(j)})T\cdot x{(i)}-y{(i)})x^{(i)} $$
一直到迭代到足够的次数。