从感知器准则到最小平方误差准则——与神经网络的发展类比

与神经网络的发展类比

感知器准则 → \rightarrow → 最小平方误差判别
∣ ∣ | | ∣∣ ↓ \downarrow ↓神经网络,误差反馈学习 ∣ ∣ | | ∣∣
感知器模型(误差反馈学习) → \rightarrow → 线性神经单元(梯度下降法)

在线性不可分的情况下,不等式组
θ T z i > 0 , i = 1 , 2 , ⋯   , N (1) \boldsymbol{\theta}^{\rm T} \boldsymbol{z}_i > 0, \quad i = 1, 2, \cdots, N \tag{1} θTzi>0,i=1,2,⋯,N(1)

不可能同时满足。一种直观的想法就是,希望求解一个 θ \boldsymbol{\theta} θ使被错分的样本尽可能少,即不满足不等式 (1) 的样本尽可能少,这种方法是通过解线性不等式组来最小化错分样本数目,通常采用搜索算法求解。

但是,求解线性不等式组有时并不方便,为了避免此问题,可以引进一系列待定的常数,把不等式组 (1) 转变成下列方程组
θ T z i = y i > 0 , i = 1 , 2 , ⋯   , N \boldsymbol{\theta}^{\rm T} \boldsymbol{z}_i = y_i > 0, \quad i = 1, 2, \cdots, N θTzi=yi>0,i=1,2,⋯,N

或写成矩阵形式
Z θ = y \boldsymbol{Z} \boldsymbol{\theta} = \boldsymbol{y} Zθ=y

假设一组 d d d维样本集 x 1 , x 2 , ⋯   , x n \boldsymbol{x}_1, \boldsymbol{x}_2, \cdots, \boldsymbol{x}_n x1,x2,⋯,xn,其中 n 1 n_1 n1个属于 C 1 C_1 C1类的样本记为子集 D 1 \mathcal{D}_1 D1, n 2 n_2 n2个属于 C 2 C_2 C2类的样本记为子集 D 2 \mathcal{D}_2 D2。进一步,假设一个从 x i \boldsymbol{x}_i xi生成的样本 z i \boldsymbol{z}_i zi,它通过加上一个阈值分量 x 0 ≡ 1 x_0 \equiv 1 x0≡1而得到"增广样本向量"。而且如果它被归为 C 2 C_2 C2,那么整个模式向量都乘以 − 1 -1 −1,也就是"规范化"操作。不失一般性,可以假设前 n 1 n_1 n1个样本属于 C 1 C_1 C1,后 n 2 n_2 n2个样本属于 C 2 C_2 C2。这样矩阵 Z \boldsymbol{Z} Z就可以写成分块矩阵
Z = 1 1 X 1 − 1 2 − X 2 \boldsymbol{Z}= \begin{bmatrix} \boldsymbol{1}_1 & \boldsymbol{X}_1 \\ -\boldsymbol{1}_2 & -\boldsymbol{X}_2 \end{bmatrix} Z=11−12X1−X2

其中, 1 i \boldsymbol{1}_i 1i是 n i n_i ni个 1 的列向量, X i \boldsymbol{X}_i Xi是一个 n i × d n_i \times d ni×d矩阵,它的行是属于 C i C_i Ci的样本。

同样将 θ \boldsymbol{\theta} θ和 y \boldsymbol{y} y分块:
θ = w 0 w \boldsymbol{\theta} = \begin{bmatrix} w_0 \\ \boldsymbol{w} \end{bmatrix} θ=w0w

且
y = 1 1 1 2 \boldsymbol{y} = \begin{bmatrix} \boldsymbol{1}_1 \\ \boldsymbol{1}_2 \end{bmatrix} y=1112

同样地,负号可以放在右端项
Z = 1 1 X 1 1 2 X 2 \boldsymbol{Z}= \begin{bmatrix} \boldsymbol{1}_1 & \boldsymbol{X}_1 \\ \boldsymbol{1}_2 & \boldsymbol{X}_2 \end{bmatrix} Z=1112X1X2
y = 1 1 − 1 2 \boldsymbol{y} = \begin{bmatrix} \boldsymbol{1}_1 \\ -\boldsymbol{1}_2 \end{bmatrix} y=11−12

从此, y \boldsymbol{y} y就有了新的物理解释,可以看成是类别标记,对于 Y = 1 Y=1 Y=1的类别,标记为1,对于 Y = − 1 Y=-1 Y=−1的类别,标记为-1。从样本点 { C 1 , C 2 } \{C_1, C_2\} {C1,C2}到数值的映射。统计学模型中经常描述的样本划分,因此用样本点表示。机器学习因为是从输入到输出的映射,因此用数值表示类别标记。(注:凡事把C_1, C_2当集合的,都是概念不清,因为Duda用的 ω 1 \omega_1 ω1, ω 2 \omega_2 ω2,但Duda数学功底扎实,没有数学概念错误,某人誊抄他的,自以为聪明的用了集合语言)

为了表述方便,仍用 X \boldsymbol{X} X表示规范化增广样本矩阵, w {\bm w} w表示增广权向量。最小二乘准则寻找解向量 w {\bm w} w,使误差的平方和最小
J S ( w ) = ∥ e ∥ 2 2 = ∥ y − X w ∥ 2 2 = ∑ i = 1 n ( y i − w T x i ) 2 J_{S} \left( {\bm w} \right) = \lVert {\bm e} \rVert^2_2 = \lVert {\bm y} - {{\bm X}} {\bm w}\rVert^2_2 = \sum\limits_{i=1}^{n} \left( {\bm y}_i - {\bm w}^{\rm T} {\bm x}_i \right)^2 JS(w)=∥e∥22=∥y−Xw∥22=i=1∑n(yi−wTxi)2

可以用伪逆解或者梯度下降法求解。

最小二乘准则 的目标是使误差平方和最小,而不是错误分类样本数最小。对于线性可分样本集,决策面也不一定能将两类样本完全正确分开,不能确保每个样本都被正确分类。

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