最小二乘回归，岭回归，Lasso回归，弹性网络

Posted 2021-01-20 yongfuxue

普通最小二乘法

理论：

 

损失函数：

 

权重计算：

 

1、对于普通最小二乘的系数估计问题，其依赖于模型各项的相互独立性。

2、当各项是相关的，且设计矩阵 X的各列近似线性相关，那么，设计矩阵会趋向于奇异矩阵，这会导致最小二乘估计对于随机误差非常敏感，产生很大的方差。

例如，在没有实验设计的情况下收集到的数据，这种多重共线性（multicollinearity）的情况可能真的会出现。

使用：

from sklearn import datasets, linear_model

regr = linear_model.LinearRegression()

reg.fit(X_train, y_train)

岭回归

理论：

损失函数：

 

 

其中阿尔法大于0，它的值越大，收缩量越大，这样系数对公线性的鲁棒性也更强

当X矩阵不存在广义逆（即奇异性），最小二乘法将不再适用。可以使用岭回归

 

X矩阵不存在广义逆（即奇异性）的情况：

1）X本身存在线性相关关系（即多重共线性），即非满秩矩阵。

当采样值误差造成本身线性相关的样本矩阵仍然可以求出逆阵时，此时的逆阵非常不稳定，所求的解也没有什么意义。

2）当变量比样本多，即p>n时.

 

岭迹图：

岭迹图作用：

1）观察λ较佳取值；

2）观察变量是否有多重共线性；

在λ很小时，W很大，且不稳定，当λ增大到一定程度时，W系数迅速缩小，趋于稳定。

λ的选择：一般通过观察，选取喇叭口附近的值

 

岭参数的一般选择原则

选择λ值，使到

1）各回归系数的岭估计基本稳定；

2）用最小二乘估计时符号不合理的回归系数，其岭估计的符号变得合理；

3）回归系数没有不合乎实际意义的值；

4）残差平方和增大不太多。 一般λ越大，系数β会出现稳定的假象，但是残差平方和也会更大

 

岭回归选择变量的原则（仅供参考）

1）在岭回归中设计矩阵X已经中心化和标准化了，这样可以直接比较标准化岭回归系数的大小。可以剔除掉标准化岭回归系数比较稳定且值很小的自变量。

2）随着λ的增加，回归系数不稳定，震动趋于零的自变量也可以剔除。

3）如果依照上述去掉变量的原则，有若干个回归系数不稳定，究竟去掉几个，去掉哪几个，这无一般原则可循，这需根据去掉某个变量后重新进行岭回归分析的效果来确定。

 

使用：

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

from sklearn import linear_model

 

# X is the 10x10 Hilbert matrix

X = 1. / (np.arange(1, 11) + np.arange(0, 10)[:, np.newaxis])

y = np.ones(10)

# #############################################################################

# Compute paths

n_alphas = 200

alphas = np.logspace(-10, -2, n_alphas)

coefs = []

for a in alphas:

    ridge = linear_model.Ridge(alpha=a, fit_intercept=False)

    ridge.fit(X, y)

    coefs.append(ridge.coef_)

# #############################################################################

# Display results

ax = plt.gca()

ax.plot(alphas, coefs)

 

 

Lasso回归

理论：

维数灾难：

何谓高维数据？高维数据指数据的维度很高，甚至远大于样本量的个数。高维数据的明显的表现是：在空间中数据是非常稀疏的，与空间的维数相比样本量总是显得非常少。

在分析高维数据过程中碰到最大的问题就是维数的膨胀，也就是通常所说的“维数灾难”问题。研究表明，随着维数的增长，分析所需的空间样本数会呈指数增长。

如下所示，当数据空间维度由1增加为3，最明显的变化是其所需样本增加；换言之，当样本量确定时，样本密度将会降低，从而样本呈稀疏状态。假设样本量n=12,单个维度宽度为3，那在一维空间下，样本密度为12/3=4，在二维空间下，样本分布空间大小为3*3，则样本密度为12/9=1.33，在三维空间下样本密度为12/27=0.44。

设想一下，当数据空间为更高维时，X=[x1x1,x2x2,….,xnxn]会怎么样？

1、需要更多的样本，样本随着数据维度的增加呈指数型增长；

2、数据变得更稀疏，导致数据灾难；

3、在高维数据空间，预测将变得不再容易；

4、导致模型过拟合。

 

数据降维：

对于高维数据，维数灾难所带来的过拟合问题，其解决思路是：1）增加样本量；2）减少样本特征，而对于现实情况，会存在所能获取到的样本数据量有限的情况，甚至远小于数据维度，即：d>>n。如证券市场交易数据、多媒体图形图像视频数据、航天航空采集数据、生物特征数据等。

主成分分析作为一种数据降维方法，其出发点是通过整合原本的单一变量来得到一组新的综合变量，综合变量所代表的意义丰富且变量间互不相关，综合变量包含了原变量大部分的信息，这些综合变量称为主成分。主成分分析是在保留所有原变量的基础上，通过原变量的线性组合得到主成分，选取少数主成分就可保留原变量的绝大部分信息，这样就可用这几个主成分来代替原变量，从而达到降维的目的。

 

但是，主成分分析法只适用于数据空间维度小于样本量的情况，当数据空间维度很高时，将不再适用。

 

Lasso是另一种数据降维方法，该方法不仅适用于线性情况，也适用于非线性情况。Lasso是基于惩罚方法对样本数据进行变量选择，通过对原本的系数进行压缩，将原本很小的系数直接压缩至0，从而将这部分系数所对应的变量视为非显著性变量，将不显著的变量直接舍弃。

 

目标函数：

 

 

 

1、Lasso 是估计稀疏系数的线性模型。

2、它在一些情况下是有用的，因为它倾向于使用具有较少参数值的情况，有效地减少给定解决方案所依赖变量的数量。 因此，Lasso 及其变体是压缩感知领域的基础。 在一定条件下，它可以恢复一组非零权重的精确集

弹性网络

1、弹性网络 是一种使用 L1， L2 范数作为先验正则项训练的线性回归模型。

2、这种组合允许学习到一个只有少量参数是非零稀疏的模型，就像 Lasso 一样，但是它仍然保持 一些像 Ridge 的正则性质。我们可利用 l1_ratio 参数控制 L1 和 L2 的凸组合。

3、弹性网络在很多特征互相联系的情况下是非常有用的。Lasso 很可能只随机考虑这些特征中的一个，而弹性网络更倾向于选择两个。

4、在实践中，Lasso 和 Ridge 之间权衡的一个优势是它允许在循环过程（Under rotate）中继承 Ridge 的稳定性。

 

损失函数：

 

 

使用：

from sklearn.linear_model import ElasticNet

enet = ElasticNet(alpha=0.2, l1_ratio=0.7)    #alpha=α   l1_ratio=ρ