线性回归与损失函数

导语

自学机器学习的进程已经差不多一半了。我说真的，开始有点乱了，脑海里对机器学习构建的整个框架有待整理完善。

有句话说，“学好数理化，走遍天下都不怕。”其实学习专业级知识不算难，就是要在高中学习的数理知识基础上，于了解并充实专业级知识的概念、思维与理念的过程中，从学习数理知识逐步发展到运用数理知识。我想那句话就是这样作用吧。

正所谓温故而知新，学习时不仅要有输入，也得要有输出。所以趁着中秋节假期，俺又来一波键盘上的知识杀戮了。

上一章知识链接（回归模型）

还记得上一章的“有监督”的机器学习方法——Supervised Learning吗？ 我们知道，用这个机器学习方法，所得到的模型，所预测的输出值$y-hat$的取值范围，通常是可预测的，或是人为规定的。（一般，线性回归模型与逻辑回归模型，就是通过Supervised Learning得到的。）

• 常见的Supervised Learning有 Regression 和 Classification ，中文意思请自行百度。
• 常见的Unsupervised Learning有Clustering（说Grouping你总明白吧）。

这一篇将会讲讲机器学习的第一个模型，线性回归模型（Linear Regression Model)。

下表包含的对于各个量的标记符号。

专业术语	标记
特征（features)	x, x_train
目标（targets）	y,y_train
参数（parameters)	w(weight),b(bias),w,b
样本容量（parameters)	m,m
第i个样本（$i_{th}$Training Example)	$x^{(i)}$, $y^{(i)}$, x_i, y_i
第i个样本的预测值（The result of $i_{th}$training Example)	$f_{w,b}(x^{(i)})$,f_wb
预测值（prediction)	$y-hat$,y-hat

线性回归模型（Linear Regression Model）

什么是线性回归？

最简单的例子，就是你在A4纸上画上x轴和y轴（也就是平面直角坐标系），再放上你的校卡，在上面画任意一条直线， 就得到了任意一个线性回归方程的直线了。

好了，

我们知道这条直线上点的横坐标与纵坐标有个一次函数关系，也就是直线方程$y=wx+b$.，只是目前不能看出纸上的这条线里$y$与$x$之间的数学关系具体是什么，也就是满足该直线方程的参数（parameters），$w$和$b$具体的值是什么（知道$y,x$之间有关系，是用$w,b$去描述$y,x$之间的关系就好啦）。

还记得高中做题的时候时，常常会遇到有函数关系的题，比如说……（写到这语塞了半天，硬是没想起来有啥研究相关性的函数题）

我希望的是，你能联想到有解释两者关系的函数关系图的某道题目，并了解到，这些函数关系图既不是凭空而出的，也不是通过人工分析大量数据，进行各种高难度计算而出的。这些恰到好处的、严谨的事物关系图，来自于，机器分析数据集、得出模型后的函数可视化。

还是直接上图吧。

假装这个图里$y$与$x$分别代表两个事物。而且“由图可知”，这两个事物呈正相关性。 对于直线方程，高中生嘛（没有鄙视的意思），通常用两个点来确立一条直线，从而得出目标直线方程，从而确定两者之间的函数关系。

但是，大学生知道（没有鄙视的意思），我们拿到含有特征与目标的数据集，为了计算两者之间关系，倘若选出的恰好是受外界因素影响最大的两个点（特征，目标）时，我们最终确立的这条直线就不够客观、实用与公平了，不能以此作为我们的目标函数。

因为，我们寻求两者关系的目的，是==为了输入特征值$x$，最终能得到一个接近实际值$y$的输出预测值$y-hat$，从而将来，在未知输出实际值的情况下，我们也可以通过输入特征值于训练好的模型，得到一个合理的输出预测值$y-hat$==，所以，我们为了最终函数关系的严谨性，抛弃了“两点确定一条直线”的数学思维，发明了关于“不呈线性的数据关系分析”的一套流程，也就是开始进行机器学习了。线性回归在机器学习里的应用是十分常见的。

我们实现一个Linear Regression Model跟高中时确立直线方程，非常不一样。

线性回归算法公式？

$f_{w,b}=wx+b$

这个公式，就是线性回归（Linear Regression）最原始的本体了，称它为线性回归模型的学习算法（Learning Algorithm）。所有可以大致用直线来表示的数据关系，就可以用到机器学习方法里的这个Learning Algorithm。

emm虽然开头表格里已经写明了：

$x$代表training set里的特征，也是输入值；$w$代表权重（特征值所占的比重）；$b$代表基础量（特征值为0使的参数）；$f_{w,b}$在训练算法的时候是目标，在我们测试、使用算法时是预测值，统称为输出值。

如何得到线性回归模型？

看下面两个图，分别展示两种状态，图里的红蓝点均来自于数据集（training set）。

A状态：参数的值尚未知，模型还没有被我们训练出来。

我们现在的目标，就是要找到合适的参数值让它匹配数据集（training set）。

B状态：红线则是训练好的模型的线性回归，它的参数是已知的。

此时在横坐标选出任意一个新的点，在纵坐标都有一个合理预测值了。

损失函数引言（Cost Function）

要从A，到达B，对于机器来说，并不是简简单单描出一条线的过程，而是基于Learning Algorithm的计算过程。 为了判断函数匹配数据集的好坏，我们定义了一个cost函数。顾名思义，损失函数就是计算线性回归的损失值的，一个模型的好不好，就看cost小不小。公式如下：

$J(w,b) = \frac{1}{2m} \sum\limits_{i = 0}^{m-1} (f_{w,b}(x^{(i)}) - y^{(i)})^2$

从单一特征线性回归模型出发，我们已经认识并了解了机器学习的一个最简单的学习算法了。那么我们到底是怎样从A到达B的？简单来说就是“改参降损”，详细的，就看看下一篇文章，会讲讲损失函数的定义与原理，引出我们是怎么用梯度下降（Gradient Descent）的方法降低损失，从而训练出线性回归模型。

感谢您的阅读。