ng机器学习视频笔记 ——过拟合与正则化
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ng机器学习视频笔记（五）
——过拟合与正则化
（转载请附上本文链接——linhxx）
一、过拟合和欠拟合
1、概念
当针对样本集和特征值，进行预测的时候，推导θ、梯度下降等，都在一个前提，原值假设函数（hypnosis function）h(x)的表达式，例如是一阶、二阶还是更高阶等。
当阶数不足导致无法正确预测时，称为欠拟合（underfit）或高偏差（high bias）；当阶数太高，虽然能满足样本集，代价函数也接近0，但是仍不是一个好的预测函数，称为过拟合（overfitting）或高方差（high variance）。
例如根据房子的面积预测房价，欠拟合、正常情况、过拟合分别如下面三个图所示：
过拟合的情况比较明显，在只有一个影响因素的情况下，因为面积增到导致价格减少是不现实的，虽然满足了所有的样本集，但是这个模型是不正确的。
logistic回归同样有类似问题：
2、过拟合存在问题
过拟合主要是因为特征值太多、阶数太高引起，如果样本集数量不够，没法有效的进行训练，会导致预测的结果存在较大偏差，模型无法使用。
二、解决过拟合方案
1、画图，并根据图像判断是否正确，如上面的例子。这个只有在影响因素很少的情况下可行，因素多时，维度高，不容易图形表示，也不容易通过图形判断是否正确。
2、减少不必要的特征值，特别是重复的特征（如用平方米和平方尺两个特征计算面积）。可以通过人工选择或模型选择算法（model selection algorithm，后面会学到）来实现。但是，这样可能会导致损失一些特征信息。
3、通过正则化（regularization）的方式实现。这种方式，不需要损失任何特征值。
三、正则化
1、基本思路
当一个式子有四个特征值，且明显后两个特征值并不重要，则可以如下设代价函数：
这样，后面两个特征值由于被加了平方项，导致值需要非常小，才可以让整个代价函数很小。
2、正则化思路
当无法确认哪些特征值是不重要的时候，则应该使用正则化，其主要思想是通过减小所有的θ，这样可以获得更简单的h(x)，阶数更低；另外，也更不容易出现过度拟合的现象。
3、步骤
1）列出原先线性回归情况下的代价函数
2）改成以下公式
分析上面的公式，可以看出，代价函数加入了θ的平方项，这样使得要让代价函数值尽量小，就应该要每个θ都尽量小。
另外，上面的式子中，对θ的处理从1~n，而θ0并没有参与正则化处理。
其中，带λ的项，称为正则化项；λ称为正则化参数。该参数目的在于平衡训练集更好参与训练同时让θ都尽量小，最终达到获得更简单的h(x)，阶数更低。
需要注意的是，如果λ太大，例如10的10次方，则由于每个θ都太小，接近于0，导致h(x)约等于θ0，会出现欠拟合。
四、线性回归正则化
线性回归可以使用梯度下降和标准方程法，分别讨论如下：
1、梯度下降算法
根据上面的代价函数的公式，易得梯度下降算法需要迭代的方程如下：
其中，θ0由于不参与正则化，单独列出来。
化简上面的θj的式子，把θj提取出来，公式变换如下：
从上式与正则化之前的梯度下降算法对比，实际上就是θj多乘了一个(1-α*λ/m)，这个值略小于1，因此达到减小θj的目的。
2、标准方程法
对于标准方程法，正则化则需要加入下面括号带λ的这一项，这样从θ1~θm都被λ进行调整了。
之前讨论过XTX有可能不可逆的情况，但是已经经过数学论证，正则化后，只要λ>0，整个括号内的项必然可逆。
因此，正则化是解决标准方程法XTX有可能存在不可逆的方法之一。
五、logistic回归正则化
logistic回归的算法，实际上基本公式和线性回归的梯度下降法是一样的，只不过其h(x)不同，带入对应的h(x)，得到logistic回归的代价函数如下公式：
——written by linhxx
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