机器学习——牛顿法，指数分布簇，广义的线性模型

Posted 2020-11-25 daizigege

一、牛顿方法：

基本思想是利用迭代点(x_k)处的一阶导数(梯度)和二阶导数(Hessen矩阵)对目标函数进行二次函数近似，然后把二次模型的极小点作为新的迭代点，并不断重复这一过程，直至求得满足精度的近似极小值。

对于f(x)=0,求解x;

初始化( heta) ,然后一直迭代：( heta^{(t+1)}= heta^{(t)}-frac{f( heta^{(t)})}{f^`( heta^{(t)})})

收敛的很快；二次收敛；

牛顿法也被用于求函数的极值。由于函数取极值的点处的导数值为零，故可用牛顿法求导函数的零点，其叠代式为 ；( heta^{(t+1)}= heta^{(t)}-frac{f^`( heta^{(t)})}{f^{``}( heta^{(t)})})

如果变量是一个向量则：( heta^{(t+1)}= heta^{(t)}-H^{-1}igtriangledown_ heta L) 其中H是Hessian矩阵，(H_{ij}=frac{partial^2L}{partial heta_ipartial heta_j})

缺点：每次迭代都得重新计算一次H；

二、指数分布簇（Exponential Family）：

(p(y;eta)=b(y)exp(eta^TT(y)-a(eta))) 其中(eta:分布的自然参数（规范参数）) ，T(y):充分统计量（一般都等于y），(a(eta)) :是对数划分函数，(e^{-a(eta)}充当正规化常量的作用，保证sum p(y;eta)=1)。

固定T,a,b;定义一簇以(eta) 为参数的分布，随着它的改变，可以得到不同的分布。

分别以伯努利(Bernoulli)分布和高斯(Gauss)分布为例子；

$ 2.1Ber( heta)$ :

已知：p(y=1;(phi))=(phi) ;p(y;(phi))=(phi^y(1-phi)^{1-y}=exp(ylogphi+(1-y)log(1-phi))=exp((log(frac{phi}{1-phi}))y+log(1-phi)))

对应可得：(eta=log(frac{phi}{1-phi}),反向求phi=frac{1}{1+e^{-eta}},带入其中，得a(eta)=-log(1-phi)=log(1+e^eta))

b(y)=1;

2.2Gauss,(N~(mu,sigma^2)):

一般都令(sigma=0),因为它无用

(p(y;u)=frac{1}{sqrt{2pi}}exp(-frac{1}{2}(y-mu)^2)=frac{1}{sqrt{2pi}}exp(-frac{1}{2}y^2)exp(-frac{1}{2}mu^2))

对应得：

(eta=mu;a(eta)=mu^2/2=eta^2/2;b(y)=(frac{1}{sqrt{2pi}})exp(-y^2/2))

三、广义的线性模型(Generalized Linear Model )：

线性回归中我们假设：y|x;( heta) ~ (N(mu,sigma^2))

逻辑回归中我们假设：y|x;( heta) ~ (Bernoulli(phi))

它们都是广义线性模型的特例。

Assume：

（1）y|x;( heta) ExponentiaFamily(( heta)) 给定样本xx与参数θθ，样本分类yy?服从指数分布族中的某个分布；

（2）given x, goal is to output E[T(y)|x], want h(( heta)(x))=E[T(y)|x];

（3）(eta= heta^Tx) 。

3.1Gauss((mu, heta)):(h_ heta(x)=E[y|x; heta]=mu=eta= heta^Tx)

(3.2Ber(phi)) :(h_ heta(x)=E[y|x]=p(y=1|x; heta)=phi=frac{1}{1+e^{-eta}}=frac{1}{1+e^{- heta^Tx}})

总之，广义线性模型通过拟合响应变量的条件均值的一个函数（不是响应变量的条件均值），并假设响应变量服从指数分布族中的某个分布（不限于正态分布），从而极大地扩展了标准线性模型。模型参数估计的推导依据是极大似然估计，而非最小二乘法。

3.3Softmax Regression(多分类算法):

(yin{1,..,k}) ,每种分类的概率：(phi_1,...,phi_k) ,他们的和为1，所以一般用k-1个参数

(p(y=i)=phi_i) ;

这里T(y)(in R^{k-1}) ,它是一个k-1维的向量，依次从只有第1个为0，...,只有第k-1给为0，全为0。一共k种取值。

指示函数：1{True}=1,1{False}=0; 所以(T(y)_i=1{y=i})

得到

[ egin{align}p(y;phi)=&phi_1^{1{y=1}}phi_1^{1{y=1}}...phi_k^{1{y=k}} \\=&phi_1^{T(y)_1}phi_2^{T(y)_2}...phi_k^{1-sum_{i=1}^{k-1}(T(y))_i}\\=&exp((T(y))_1log(phi_1)+(T(y))_2log(phi_2)...+(1-sum_{i=1}^{k-1}(T(y))_i)log(phi_k))\\=&b(y)exp(eta^TT(y)-a(eta))end{align} ]

其中(eta=left[egin{matrix} log(frac{phi_1}{phi_k}) \\ log(frac{phi_1}{phi_k}) \\...\\log(frac{phi_{k-1}}{phi_k}) \\end{matrix} ight] , a(eta)=-log(phi_k) ,b(y)=1)

所以(p(y=i|x; heta)=phi_i=frac{e^{eta_i}}{sum_{j=1}{k}}=frac{e^{ heta_i^Tx}}{sum_{j=1^k}e^{ heta_j^Tx}})

然后通过广义模型求解：

(h_ heta(x)=E[T(y)|x; heta]=Eleft[ egin{matrix} 1{ y=1} \\1{ y=2} \\...\\1{ y=k-1} \\ end{matrix} |x; heta ight]=phi_{k-1}=frac{exp( heta_{k-1}^Tx)}{sum_{j=1}^kexp( heta_j^Tx)})

此后再用之前的最大似然法拟合参数即可