梯度下降

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  修改后只保留实质内容,感谢作者的辛勤努力。

  回归与梯度下降:

  回归在数学上来说是给定一个点集,能够用一条曲线去拟合之,如果这个曲线是一条直线,那就被称为线性回归,如果曲线是一条二次曲线,就被称为二次回归,回归还有很多的变种,如locally weighted回归,logistic回归,等等。

  用一个很简单的例子来说明回归,这个例子来自很多的地方,也在很多的 open source 软件中看到。大概就是,做一个房屋价值的评估系统,一个房屋的价值来自很多地方,比如说面积、房间的数量(几室几厅)、地段、朝向等等,这些影响房屋价值的变量被称为特征 (feature),feature 在机器学习中是一个很重要的概念,有很多的论文专门探讨这个东西。在此处,为了简单,假设我们的房屋就是一个变量影响的,就是房屋的面积。

  假设有一个房屋销售的数据如下:

  面积(m^2) 销售价钱(万元)

  123 250

  150 320

  87 160

  102 220

  … …

  这个表类似于帝都5环左右的房屋价钱,我们可以做出一个图,x轴是房屋的面积。y轴是房屋的售价,如下:

house_price1

  如果来了一个新的面积,假设在销售价钱的记录中没有的,我们怎么办呢?

  我们可以用一条曲线去尽量准的拟合这些数据,然后如果有新的输入过来,我们可以在将曲线上这个点对应的值返回。如果用一条直线去拟合,可能是下面的样子:

house_price2

  绿色的点就是我们想要预测的点。

  首先给出一些概念和常用的符号,在不同的机器学习书籍中可能有一定的差别。

  房屋销售记录表 – 训练集 (training set) 或者训练数据 (training data), 是我们流程中的输入数据,一般称为 x

  房屋销售价钱 – 输出数据,一般称为 y

  拟合的函数(或者称为假设或者模型),一般写做 y = h(x)

  训练数据的条目数(#training set), 一条训练数据是由一对输入数据和输出数据组成的

  输入数据的维度 (特征的个数),n

  下面是一个典型的机器学习的过程,首先给出一个输入数据,我们的算法会通过一系列的过程得到一个估计的函数,这个函数有能力对没有见过的新数据给出一个新的估计,也被称为构建一个模型。就如同上面的线性回归函数。

flow

  我们用 X1,X2..Xn 去描述特征里面的分量,比如 x1=房间的面积,x2=房间的朝向,等等,我们可以做出一个估计函数:

form1

  θ 在这儿称为参数,在这儿的意思是调整feature中每个分量的影响力,就是到底是房屋的面积更重要还是房屋的地段更重要。为了如果我们令 X0 = 1,就可以用向量的方式来表示了:

form2

  我们程序也需要一个机制去评估我们 θ 是否比较好,所以说需要对我们做出的h函数进行评估,一般这个函数称为损失函数 (loss function) 或者错误函数 (error function),描述h函数不好的程度,在下面,我们称这个函数为J函数

  在这儿我们可以做出下面的一个错误函数:

form3

  这个错误估计函数是去对 x(i) 的估计值与真实值y(i)差的平方和作为错误估计函数,前面乘上的1/2是为了在求导的时候,这个系数就不见了。

  如何调整 θ 以使得 J(θ) 取得最小值有很多方法,其中有最小二乘法 (min square),是一种完全是数学描述的方法,在stanford机器学习开放课最后的部分会推导最小二乘法的公式的来源,这个来很多的机器学习和数学书上都可以找到,这里就不提最小二乘法,而谈谈梯度下降法。

  梯度下降法是按下面的流程进行的:

  1. 首先对 θ 赋值,这个值可以是随机的,也可以让θ是一个全零的向量。
  2. 改变 θ 的值,使得 J(θ) 按梯度下降的方向进行减少。

  为了更清楚,给出下面的图:

gd1

  这是一个表示参数 θ 与误差函数 J(θ) 的关系图,红色的部分是表示 J(θ) 有着比较高的取值,我们需要的是,能够让 J(θ) 的值尽量的低。也就是深蓝色的部分。θ0,θ1 表示 θ 向量的两个维度。

  在上面提到梯度下降法的第一步是给θ给一个初值,假设随机给的初值是在图上的十字点。

  然后我们将θ按照梯度下降的方向进行调整,就会使得J(θ)往更低的方向进行变化,如图所示,算法的结束将是在θ下降到无法继续下降为止。

image

  当然,可能梯度下降的最终点并非是全局最小点,可能是一个局部最小点,可能是下面的情况:

gd2

  上面这张图就是描述的一个局部最小点,这是我们重新选择了一个初始点得到的,看来我们这个算法将会在很大的程度上被初始点的选择影响而陷入局部最小点

  下面我将用一个例子描述一下梯度减少的过程,对于我们的函数 J(θ) 求偏导 J:

form4

  下面是更新的过程,也就是 θi 会向着梯度最小的方向进行减少。θi 表示更新之前的值,- 后面的部分表示按梯度方向减少的量,α 表示步长,也就是每次按照梯度减少的方向变化多少。

form5

  一个很重要的地方值得注意的是,梯度是有方向的,对于一个向量 θ,每一维分量 θi 都可以求出一个梯度的方向,我们就可以找到一个整体的方向,在变化的时候,我们就朝着下降最多的方向进行变化就可以达到一个最小点,不管它是局部的还是全局的。

  用更简单的数学语言进行描述步骤2是这样的:

form6

  倒三角形表示梯度,按这种方式来表示,θi 就不见了,看看用好向量和矩阵,真的会大大的简化数学的描述啊。

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