吴恩达《机器学习》4-6-＞4-7:正规方程

一、正规方程基本思想

• 正规方程是一种通过数学推导来求解线性回归参数的方法，它通过最小化代价函数来找到最优参数。

• 代价函数 J(θ) 用于度量模型预测值与实际值之间的误差，通常采用均方误差。

二、步骤

• 准备数据集，包括特征矩阵 X 和目标向量 y。特征矩阵通常包括一个全为1的常数列（截距项）。

• 定义代价函数 J(θ)，通常采用均方误差。

• 推导代价函数 J(θ) 对参数θ的梯度，令梯度为零。

• 将梯度为零的方程组转化为矩阵形式：X^T * X * θ = X^T * y。

• 求解正规方程，得到最优参数θ：θ = (X^T * X)^(-1) * X^T * y。

三、正规方程的优点

• 不需要选择学习率α，一次运算得出最优参数，无需迭代。

• 在特征数量较小的情况下非常适用（通常 n < 10000）。

四、正规方程的限制和适用情况

• 不适用于非线性模型，仅适用于线性回归。

• 如果特征之间存在线性相关性，或者特征数量多于样本数量，正规方程可能不适用。

• 对于特征数量大的情况，计算 (X^T * X)^(-1) 的逆矩阵可能会昂贵。

五、选择算法

• 根据问题的特点、数据集的大小和特征的独立性来选择使用梯度下降法或正规方程。

• 对于小型数据集和特征数量不多的情况，正规方程是一个有效的选择。

六、正规方程在矩阵不可逆时的解决办法

• 使用伪逆函数 pinv()：

  • 在Octave等数值计算工具中，可以使用伪逆函数 pinv() 来计算参数θ，即使特征矩阵X^T * X是不可逆的。这是一种弥补不可逆性的方法，它可以提供正确的解。

• 处理线性相关的特征：

  • 当存在线性相关的特征时，如 x1 = (3.28)^2 * x2，矩阵X^T * X可能变得奇异或不可逆。此时，可以考虑去除一个或多个相关特征以减少特征数量，同时保持数据的信息内容。这将使X^T * X更容易求逆。

• 特征选择和正则化：

  • 如果特征数量n太多，而训练样本数量m相对较少，可能会导致X^T * X不可逆。在这种情况下，可以考虑以下方法：

    • 删除一些不相关或冗余的特征，以降低特征数量。

    • 使用正则化方法，如Lasso或Ridge回归，来惩罚不必要的特征权重，从而解决不可逆性问题。

参考资料：

中英字幕吴恩达机器学习系列课程

黄海广博士 - 吴恩达机器学习个人笔记