深度学习基础知识--2.1　回归问题算法

回归问题算法通常是利用一系列属性来预测一个值，预测的值是连续的。例如给出一套房子的一些特征数据，如面积、卧室数等来预测房价，利用最近一周的气温变化和卫星云图来预测未来的气温情况等。如果一套房子实际价格为500万元，通过回归分析的预测值为499万元，则认为这是一个比较好的回归分析。在机器学习问题中，常见的回归分析有线性回归（Linear Regression）、多项式回归（Polynomial Regression）、逻辑回归（Logistic Regression）等。本节重点介绍线性回归算法，逻辑回归将在2.3节重点阐述。线性回归是一个很简单的回归算法，使用它可以快速地了解很多关于深度学习的基础知识。首先看一个只有一个特征值的线性回归问题，给定数据如表2.1所示。

这些给定的数据也叫作数据集（Dataset），把每组数据记作（x（i），y（i）），一共有m组数据。目标就是给出一个模型，根据新给定的x值预测y的值。对于线性回归，使用的模型是一个线性函数，公式如下：

式中，w0，w1——最终需要训练得到的参数。

式中，w0，w1——最终需要训练得到的参数。这个模型也叫作假设（Hypothesis），线性回归的目标就是找到一组最优的w0和w1，使假设贴近表2.1中的数据集。如图2.1所示，希望训练得到的w0和w1能够尽可能拟合所给定的数据集。

图2.1　线性回归模型那么如何得到最优的w0和w1呢？将训练的目标转换为最小化下面的函数：

这个需要被最小化的函数就叫作损失函数（Loss Function），损失函数类型可以有很多种，上面用的这种叫作均方误差（Mean Square Error），常用于解决回归问题，此外交叉熵误差（Cross Entropy Loss）函数常被用于解决分类问题，即：

可以看到，最终的优化目标就是最小化预测值h（x（i））与训练数据中实际的标签y（i）的误差。在上述情景中，为了便于理解，输入数据x只有一条属性，实际应用中往往会涉及n个属性（n≥1），此时需要训练得到n+1个参数w，w=[w0，w1，…，wn]，其中w0为偏置（Bias），wi（i=1，2，…，n）为第i条属性的权重（weight）。综上，可以把回归问题统一表示为以下形式：

（1）数据集

（2）参数

（3）假设

（4）损失函数

为方便表达，把数据集表示为一个m×（n+1）的矩阵X，其中每一行的第一个元素恒为1，其后为x（i）的n个属性，即：

同时，把目标值也记为向量形式y=（y（1）；y（2）；…；y（m）），则线性回归问题可以表示为：

为了求解极值w*，对w求梯度得到：

当XTX为满秩矩阵或正定矩阵时，令梯度，可得：

式中，（XTX）-1——矩阵XTX的逆矩阵。在解得w*之后，对于任意的样本x，令，则可以预测其回归值为：

然而，在现实应用之中，往往很难使XTX满足满秩或者正定矩阵的条件。例如在一些任务中，可能遇到大量的属性，其数目甚至超过样本个数m，即n≥m，导致样本矩阵X的列数明显多于行数，此时XTX将不会满秩。

此外，尽管在线性回归问题中，令可以得到最优参数w*的解析解，但对于更复杂一些的模型或损失函数，通常不存在解析解。2.2节将介绍在机器学习领域中运用更为广泛的梯度下降算法，该算法通过最小化损失函数，训练得到所要求解的参数w*。