经典机器学习系列之【线性模型与广义线性模型】

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这一节我们介绍线性模型，介绍思路如下：我们先介绍概念，什么叫做线性模型？在了解了基本的线性模型之后，我们将其应用于一元线性回归，之后扩展到多元线性回归。之后我们再将其扩展到广义线性模型。最后通过广义线性模型迁移到logit回归(分类问题)中。

线性模型基本概念

线性模型(Linear Model)是在假设特征满足线性关系，给定一些数据，需要用这些数据训练一个模型，并用此模型进行预测。但这个模型是属性的线性组合，其函数形式为：

f(x) = w_{1}x_{2}+w_{2}x_{2} + \cdots w_{n}x_{n}+b

用向量表示的话，如下所示：

其中的 $w$ 和 $b$ 是我们需要学习的参数。一旦 $w$ 和 $b$ 确定下来，那么这个模型也就确定下来了。

一元线性回归

假定我们现在手头上有一些训练样本 $(x_{1},y_{1})$ ， $(x_{2},y_{2})$ ， $\cdots$ ， $(x_{m},y_{m})$ 。那么我们如何来找到一组参数 $w$ 和 $b$ 使得构建的线性模型能够很好地表示这组样本输入与输出之间的关系呢？

在开始建模之前，我们需要思考一个问题，什么叫做很好地表示？我们需要将这个好坏量化一下。通常我们以范数作为量化的标准。在这里表示的就是，对于真实的输入 $x_{1}$ ，我的预测输出 $y_{pre}$ 与真实输出 $y_{1}$ 之间的误差。在这里我们以均方差作为度量标准。

因此这个问题就转变为了，我们需要找一组参数 $w$ 和 $b$ ，能够使得这些样本在当前模型下的均方误差最小，用数学形式表达如下所示：

(w^{*},b^{*})=argmin_{w,b} \sum_{i=1}^{m}(y_{i}-wx_{i}-b)

$w^{*},b^{*}$ 表示 $w$ 和 $b$ 的解。

基于均方差最小化来进行模型求解的方法称为最小二乘法(least square method)。在线性回归问题中，最小二乘法试图寻找到一条直线，使所有样本到直线的欧式距离之和最小。

求解 $w$ 和 $b$ 使 $E_{(w,b)}=$ $\sum_{i=1}^{m}(y_{i}-wx_{i}-b)^{2}$ 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)。

由于 $E_{(w,b)}$ 是关于 $w$ 和 $b$ 的凸函数，所以对其求偏导数，令其偏导数等于0，所求出来的解即为最优解。其偏导数求解如下所示：

\frac{\partial E_{(w,b)}}{\partial w} = 2(w\sum_{i=1}^{m}x_{i}^{2}-\sum_{i=1}^{m}(y_{i}-b)x_{i})

\frac{\partial E_{(w,b)}}{\partial b} = 2(mb - \sum_{i=1}^{m}(y_{i}-wx_{i}))

再令其偏导数为0，可得到 $w$ 和 $b$ 最优解的闭式(closed-from)解：

w=\frac{\sum_{i=1}^{m}y_{i}(x_{i}-\overline{x})}{\sum_{i=1}^{m}x_{i}^{2}-\frac{1}{m}(\sum_{i=1}^{m}x_{i})^{2}}

其中 $\overline{x}=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}x_{i}$ 为 $x$ 的均值。

b = \frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}(y_{i}-wx_{i})

至此，求解完毕。

多元线性回归

在一元回归问题中，样本只有一个属性。假设样本具有 $n$ 个属性，此时期望找到一组模型参数 $w$ 和 $b$ ，使得 $f(x_{i})=w^{T}x_{i}+b$ ，使得函数输出 $f(x_{i})$ 与真实标签 $y_{i}$ 越接近越好。我们将这类问题称为多元线性回归问题(multivariate linear regression)，或者叫做多变量线性回归问题。

为了便于讨论，我们把 $w$ 和 $b$ 组合称为一个向量的形式 $\hat{w}=(w;b)$ 。与之对应，样本集可表示为一个 $m \times (d+1)$ 大小的矩阵 $X$ 。那么每一行都对应一个样本。每一行的前 $d$ 个元素都表示为当前这个样本的 $d$ 个属性值。最后这个元素恒为1，是方便与参数 $\hat{w}$ 中的 $b$ 相乘，形成偏置项。样本输入的数学表达形式可表示为如下形式：

X=\left(\begin{array}{cccc}
{x_{11}} & {x_{12}} & {\cdots} & {x_{1d}} & {1}\\
{x_{21}} & {x_{22}} & {\cdots} & {x_{2d}} & {1}\\
{\vdots} & {\vdots} & {\ddots} & {\vdots} & {\vdots} \\
{x_{m1}} & {x_{m2}} & {\cdots} & {x_{md}}& {1}
\end{array}\right)=
\left(\begin{array}{cccc}
{x_{1}^{T}} & {1} \\
{x_{2}^{T}} & {1} \\
{\vdots} & {\vdots} \\
{x_{m}^{T}} & {1}
\end{array}\right)

将标签以同样的方式写成向量的形式有 $y=(y_{1};y_{2};\cdots;y_{m})$ ，令均方误差最小化，求其最优解：

\hat{w}^{*}=argmin_{\hat{w}}(y-X\hat{w})^{T}(y-X\hat{w})

令 $E_{\hat{w}}=(y-X\hat{w})^{T}(y-X\hat{w})$ ，对 $\hat{w}$ 求偏导得到如下方程：

\frac{\partial E_{\hat{w}}}{\partial \hat{w}}=2X^{T}(X\hat{w}-y)

$X^{T}X$ 可逆

与一元回归类似，令上式等于0即可求解上述方程。通过观察不难发现，上式存在矩阵求逆的情况，对于 $X^{T}X$ 为满秩矩阵(full-rank matrix)或正定矩阵(positive definite matrix)时，可求出：

令 $\hat{x_{i}}=(x_{i};1)$ ，则最终的线性回归模型可表示为：

f(\hat{x_{i}})=\hat{x}_{i}(X^{T}X)^{-1}X^{T}y

$X^{T}X$ 不可逆情况

如果 $X^{T}X$ 不可逆，那么此时可解出多个 $\hat{w}$ ，他们都能使得均方误差最小化。选择哪一个解作为输出，将由算法的归纳偏好决定，常见的做法是引入正则化(regularization)项。

广义线性模型

通常我们把线性回归模型简写为：

那我们能否将模型预测值逼近真实标签 $y$ 的衍生物？例如将样本标签 $y$ 的对数模型作为线性模型逼近的目标，即：

这就是对数线性回归(log-linear regression)，它实际上是在试图让 $e^{w^{T}x+b}$ 逼近 $y$ 。上式形式上是线性回归，但实际上已是在求输入空间到输出空间的非线性函数映射。

更一般的，考虑单调可微函数 $g(·)$ ，令：

这样得到的模型称为广义线性模型(generalized linear model)。我们把函数 $g(·)$ 称为联系函数。广义线性模型的参数估计通常通过加权最小二乘法或极大似然法进行。

线性模型之logit回归

如何用线性模型做分类？其实我们自需要找一个单调可微函数，将分类任务的真实标记 $y$ 与线性回归模型的预测值联系起来。就可以达到这一点。你也许会想到单位阶跃函数，将连续值变换为离散量。但是单位阶跃函数不连续，因此希望找到一个函数来替代它。对数几率函数(logistic function)，是一种Sigmoid函数能做到这一点。其函数表达形式如下所示：

对其两边取倒数，再取对数化简，得如下变换形式：

如果将 $y$ 看作样本 $x$ 是正例的可能性，则 $1-y$ 表示的就是负例的可能性。两者的比值表示的就是为正例的相对可能性，再将其取对数得到对数几率(logit)。

上式用线性回归模型的预测结果去逼近真实标记的对数几率，因此，对应的模型称为对数几率回归。但实际上它是一种分类学习方法。在其他地方你可能会听到逻辑回归，但周志华教授觉得中文“逻辑”与“logistic”和logit的含义想去甚远，称其为“对数几率回归”简称“对率回归”。具有如下优点：