（笔记）斯坦福机器学习第四讲--牛顿法

Posted 2020-09-21

本讲内容

1. Newton‘s method（牛顿法）

2. Exponential Family（指数簇）

3. Generalized Linear Models(GLMs)（广义线性模型）

 

1.牛顿法

假如有函数, 寻找使得

牛顿法的步骤如下：

(1) initialize  as some value. 上图中用  初始化 的值

(2) 在这一点上对f求值得到，之后计算这一点的导数值

(3) 作该点的切线，得到与横轴的交点的值，此为牛顿法的一次迭代。

更新公式为

         

 

我们可以使用牛顿法取代梯度上升法作极大似然估计

对对数似然函数， want  s.t. 

 

对于一次迭代，

通常来说，牛顿法对函数f有一定的要求（具体没说），牛顿法对logistic函数效果很好。

的初始值并不会对牛顿法收敛的结果产生影响。

牛顿法的收敛属于二次收敛（每一次迭代都会使误差的数量级乘方），正常情况下速度会比二次收敛慢，但是依然比梯度下降法快。

牛顿法的一般化：

H is the Hessian matrix（黑塞矩阵） 

牛顿法的缺点是，当特征数量过大的时候，求黑塞矩阵的逆会耗费相当长的时间。

 

 

2.指数簇

指数簇的一般形式

 -自然参数(natural parameter)

- 充分统计量(sufficient statistic) 通常情况下（伯努利分布或者高斯分布）: 

固定a,b,T， 改变的值， 会得到一组不同的概率分布。

伯努利分布和高斯分布都是指数分布簇的特例

对于伯努利分布

            

            

            

        

    

　

对于高斯分布

考虑到方差对最终结果没有影响， 在这里设置

　　　　 

   

   

   

 

指数分布族还包括很多其他的分布： 
多项式分布（multinomial） 
泊松分布（poisson）：用于计数的建模 
伽马分布（gamma），指数分布（exponential）:用于对连续非负的随机变量进行建模 
β分布，Dirichlet分布：对小数建模 

 

3.广义线性模型(GLMS)

为了导出广义线性模型，首先制定三个假设：

(1) 

(2) Given , goal is to output 

　   want 

(3)   即自然参数与特征向量之间是线性相关的

 

对于伯努利分布

   

在上节的指数簇中推导出   

而根据假设(3)

我们的目标是输出  

由上节知 

             

而  

 　　　　 

　　　　  

该函数即为logistic 函数

 

对于高斯分布

在最小二乘估计中，我们假设响应变量是连续的，且服从高斯分布 

我们的目标是输出 

由上节知 

　　　　  

　　　　  

             

顺带一提

正则响应函数（canonical response function）： 
正则链接函数（canonical link function）: 

 

 

4.Softmax回归（多类分类问题）

多项式分布 

这k个参数是冗余的，所以 我们定义 

在后面的过程中，我们将不使用  这个参数

多项式分布属于指数分布簇，但是 

在这里按照如下定义

    ...   

都是k-1维的向量

引入指示函数, 

用   表示向量 的第个元素，则 

 

        

       

 

where 

         

         

反过来，

为了减少参数冗余，定义

 

由GLMS的假设3:  

 

所以我们可以得到需要的假设

         

          

这种方法是logistic回归的推广，应用于多分类问题。

优化目标依然是极大似然估计

         

 

 其中

使用梯度上升法或者牛顿法解得最优参数

 

第四讲完。