京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
变量选择之SCAD算法
本文提出了一种用于同时达到选择变量和预测模型系数的目的的方法——SCAD。这种方法的罚函数是对称且非凹的,并且可处理奇异阵以产生稀疏解。此外,本文提出了一种算法用于优化对应的带惩罚项的似然函数。这种方法具有广泛的适用性,可以应用于广义线性模型,强健的回归模型。借助于波和样条,还可用于非参数模型。更进一步地,本文证明该方法具有Oracle性质。模拟的结果显示该方法相比主流的变量选择模型具有优势。并且,模型的预测误差公式显示,该方法实用性较强。
SCAD的理论理解
在总结了现有模型的一些缺点之后,本文提出构造罚函数的一些目标:
罚函数是奇异的(singular)
连续地压缩系数
对较大的系数产生无偏的估计
SCAD模型的Oracle性质,使得它的预测效果跟真实模型别无二致。
并且,这种方法可以应用于高维非参数建模。
SCAD的目标函数如下:
SCAD的罚函数与$theta$的(近似)关系如下图所示。
可见,罚函数可以用二阶泰勒展开逼近。

Hard Penality,lasso,SCAD的系数压缩情况VS系数真实值的情况如下图所示。
可以看到,lasso压缩系数是始终有偏的,Hard penality是无偏的,但压缩系数不连续。而SCAD既能连续的压缩系数,也能在较大的系数取得渐近无偏的估计。
这使得SCAD具有Oracle性质。
SCAD的缺点
模型形式过于复杂
迭代算法运行速度较慢
在low noise level的情况下表现较优,但在high noise level的情况下表现较差。
SCAD的实现
SCAD迭代公式
SCAD的目标函数如下:
时,罚函数可以用二阶泰勒展开逼近。
从而,有如下迭代公式:

根据以上公式,代入迭代步骤,即可实现算法。
SCAD的R实现
##------数据模拟--------
library(MASS)
##mvrnorm()
##定义一个产生多元正态分布的随机向量协方差矩阵
Simu_Multi_Norm<-function(x_len, sd = 1, pho = 0.5){
#初始化协方差矩阵
V <- matrix(data = NA, nrow = x_len, ncol = x_len)
#mean及sd分别为随机向量x的均值和方差
#对协方差矩阵进行赋值pho(i,j) = pho^|i-j|
for(i in 1:x_len){ ##遍历每一行
for(j in 1:x_len){ ##遍历每一列
V[i,j] <- pho^abs(i-j)
}
}
V<-(sd^2) * V
return(V)
}
##产生模拟数值自变量X
set.seed(123)
X<-mvrnorm(n = 200, mu = rep(0,10), Simu_Multi_Norm(x_len = 10,sd = 1, pho = 0.5))
##产生模拟数值:响应变量y
beta<-c(1,2,0,0,3,0,0,0,-2,0)
#alpha<-0
#prob<-exp(alpha + X %*% beta)/(1+exp(alpha + X %*% beta))
prob<-exp( X %*% beta)/(1+exp( X %*% beta))
y<-rbinom(n = 200, size = 1,p = prob)
##产生model matrix
mydata<-data.frame(X = X, y = y)
#X<-model.matrix(y~., data = mydata)
##包含截矩项的系数
#b_real<-c(alpha,beta)
b_real<-beta
########----定义惩罚项相关的函数-----------------
##定义惩罚项
####运行发现,若lambda设置为2,则系数全被压缩为0.
####本程序根据rcvreg用CV选出来的lambda设置一个较为合理的lambda。
p_lambda<-function(theta,lambda = 0.025){
p_lambda<-sapply(theta, function(x){
if(abs(x)< lambda){
return(lambda^2 - (abs(x) - lambda)^2)
}else{
return(lambda^2)
}
}
)
return(p_lambda)
}
##定义惩罚项导数
p_lambda_d<-function(theta,a = 3.7,lambda = 0.025){
if(abs(theta) > lambda){
if(a * lambda > theta){
return((a * lambda - theta)/(a - 1))
}else{
return(0)
}
}else{
return(lambda)
}
}
# ##当beta_j0不等于0,定义惩罚项导数近似
# p_lambda_d_apro<-function(beta_j0,beta_j,a = 3.7, lambda = 2){
# return(beta_j * p_lambda_d(beta = beta_j0,a = a, lambda = lambda)/abs(beta_j0))
# }
#
#
# ##当beta_j0 不等于0,指定近似惩罚项,使用泰勒展开逼近
# p_lambda_apro<-function(beta_j0,beta_j,a = 3.7, lambda = 2){
# if(abs(beta_j0)< 1e-16){
# return(0)
# }else{
# p_lambda<-p_lambda(theta = beta_j0, lambda = lambda) +
# 0.5 * (beta_j^2 - beta_j0^2) * p_lambda_d(theta = beta_j0, a = a, lambda = lambda)/abs(beta_j0)
# }
# }
#define the log-likelihood function
loglikelihood_SCAD<-function(X, y, b){
linear_comb<-as.vector(X %*% b)
ll<-sum(y*linear_comb) + sum(log(1/(1+exp(linear_comb)))) - nrow(X)*sum(p_lambda(theta = b))
return (ll)
}
##初始化系数
#b0<-rep(0,length(b_real))
#b0<- b_real+rnorm(length(b_real), mean = 0, sd = 0.1)
##将无惩罚时的优化结果作为初始值
b.best_GS<-b.best
b0<-b.best_GS
##b1用于记录更新系数
b1<-b0
##b.best用于存放历史最大似然值对应系数
b.best_SCAD<-b0
# the initial value of loglikelihood
ll.old<-loglikelihood_SCAD(X = X,y = y, b = b0)
# initialize the difference between the two steps of theta
diff<-1
#record the number of iterations
iter<-0
#set the threshold to stop iterations
epsi<-1e-10
#the maximum iterations
max_iter<-100000
#初始化一个列表用于存放每一次迭代的系数结果
b_history<-list(data.frame(b0))
#初始化列表用于存放似然值
ll_list<-list(ll.old)
#######-------SCAD迭代---------
while(diff > epsi & iter < max_iter){
for(j in 1:length(b_real)){
if(abs(b0[j]) < 1e-06){
next()
}else{
#线性部分
linear_comb<-as.vector(X %*% b0)
#分子
nominator<-sum(y*X[,j] - X[,j] * exp(linear_comb)/(1+exp(linear_comb))) +
nrow(X)*b0[j]*p_lambda_d(theta = b0[j])/abs(b0[j])
#分母,即二阶导部分
denominator<- -sum(X[,j]^2 * exp(linear_comb)/(1+exp(linear_comb))^2) +
nrow(X)*p_lambda_d(theta = b0[j])/abs(b0[j])
#2-(3) :更新b0[j]
b0[j]<-b0[j] - nominator/denominator
#2-(4)
if(abs(b0[j]) < 1e-06){
b0[j] <- 0
}
# #更新似然值
# ll.new<- loglikelihood_SCAD(X = X, y = y, b = b0)
#
#
#
# #若似然值有所增加,则将当前系数保存
# if(ll.new > ll.old){
# #更新系数
# b.best_SCAD[j]<-b0[j]
# }
#
# #求差异
# diff<- abs((ll.new - ll.old)/ll.old)
# ll.old <- ll.new
# iter<- iter+1
# b_history[[iter]]<-data.frame(b0)
# ll_list[[iter]]<-ll.old
# ##当达到停止条件时,跳出循环
# if(diff < epsi){
# break
# }
#
}
}
#更新似然值
ll.new<- loglikelihood_SCAD(X = X, y = y, b = b0)
#若似然值有所增加,则将当前系数保存
if(ll.new > ll.old){
#更新系数
b.best_SCAD<-b0
}
#求差异
diff<- abs((ll.new - ll.old)/ll.old)
ll.old <- ll.new
iter<- iter+1
b_history[[iter]]<-data.frame(b0)
ll_list[[iter]]<-ll.old
}
b_hist<-do.call(rbind,b_history)
#b_hist
ll_hist<-do.call(rbind,ll_list)
#ll_hist
#
iter
##
ll.best<-max(ll_hist)
ll.best
##
b.best_SCAD
##对比
cbind(coeff_glm,b.best,b.best_SCAD,b_real)
##----------ncvreg验证-----------
library(ncvreg)
my_ncvreg<-ncvreg(X,y,family = c("binomial"),penalty = c("SCAD"),lambda = 2)
my_ncvreg$beta
my_ncvreg<-ncvreg(X,y,family = c("binomial"),penalty = c("SCAD"))
summary(my_ncvreg)
my_ncvreg$beta
###用cv找最优的lambda
scad_cv<-cv.ncvreg(X,y,family = c("binomial"),penalty='SCAD')
scad_cv$lambda.min
mySCAD=ncvreg(X,y,family = c("binomial"),penalty='SCAD',lambda=scad_cv$lambda.min)
summary(mySCAD)
ncv_SCAD<-mySCAD$beta[-1]
##对比
myFinalResults<-cbind(无惩罚项回归=coeff_glm, GS迭代 = b.best,
GS_SCAD迭代 = b.best_SCAD, ncvreg = ncv_SCAD,真实值 = b_real)
save(myFinalResults,file = "myFinalResults.rda")
想深入学习统计学知识,为数据分析筑牢根基?那快来看看统计学极简入门课程!
学习入口:https://edu.cda.cn/goods/show/3386?targetId=5647&preview=0
课程由专业数据分析师打造,完全免费,60 天有效期且随到随学。它用独特思路讲重点,从数据种类到统计学体系,内容通俗易懂。学完它,能让你轻松入门统计学,还能提升数据分析能力。赶紧点击链接开启学习,让自己在数据领域更上一层楼!
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
【专访摘要】本次CDA持证专访邀请到拥有丰富物流供应链数据分析经验的赖尧,他结合自身在京东、华莱士、兰格赛等企业的从业经历 ...
2026-05-15在数字化时代,企业的每一次业务优化、每一项技术迭代,都需要回答一个核心问题:这个动作到底能带来多少价值?是提升了用户转化 ...
2026-05-15在数据仓库建设中,事实表与维度表是两大核心组件,二者相互关联、缺一不可,共同构成数据仓库的基础架构。事实表聚焦“发生了什 ...
2026-05-15 很多数据分析师沉迷于复杂的机器学习算法,却忽略了数据分析最基础也最核心的能力——描述性统计。事实上,80%的商业分析问 ...
2026-05-15【核心关键词】互联网、机会、运营、关键词、账户、数字化、后台、客户、成本、网络、数据分析、底层逻辑、市场推广、数据反馈 ...
2026-05-14在Python数据分析中,Pandas作为核心工具库,凭借简洁高效的数据处理能力,成为数据分析从业者的必备技能。其中,基于两列(或多 ...
2026-05-14 很多人把统计学理解为“一堆公式和计算”,却忽略了它的本质——一门让数据“开口说话”的科学。真正的数据分析高手,不是会 ...
2026-05-14在零售行业存量竞争日趋激烈的当下,客户流失已成为侵蚀企业利润的“隐形杀手”——据行业数据显示,零售企业平均客户流失率高达 ...
2026-05-13当流量红利消退、用户需求日趋多元,“凭经验决策、广撒网投放”的传统营销模式早已难以为继。大数据的崛起,为企业营销提供了全 ...
2026-05-13 许多数据分析师精通Excel函数和SQL查询,但当面对一张上万行的销售明细表,要快速回答“哪个地区销量最高”“哪款产品增长最 ...
2026-05-13在手游行业存量竞争日趋激烈、流量成本持续高企的当下,“拉新”早已不是行业核心痛点,“留存”尤其是“付费留存”,成为决定手 ...
2026-05-12 很多数据分析师掌握了Excel函数、会写SQL查询,但当被问到“数据从哪里来”“数据加工有哪些步骤”“如何使用分析工具连接数 ...
2026-05-12用户调研是企业洞察客户需求、优化产品服务、制定运营策略的核心前提,而调研数据的可靠性,直接决定了决策的科学性与有效性。在 ...
2026-05-11在市场竞争日趋激烈、流量成本持续攀升的今天,企业的核心竞争力已从“获取流量”转向“挖掘客户价值”。客户作为企业最宝贵的资 ...
2026-05-11 很多数据分析师精通Excel单元格操作,熟练应用多种公式,但当被问到“表结构数据的基本处理单位是什么”“字段和记录的本质 ...
2026-05-11在互联网运营、产品优化、用户增长等领域,次日留存率是衡量产品价值、用户粘性与运营效果的核心指标,更是判断新用户是否认可产 ...
2026-05-09相关性分析是数据分析领域中用于探究两个或多个变量之间关联强度与方向的核心方法,广泛应用于科研探索、商业决策、医疗研究、社 ...
2026-05-09 数据分析师八成以上的时间在和数据表格打交道,但许多人拿到Excel后习惯性地先算、先分析,结果回头发现漏了一列关键数据, ...
2026-05-09在数据驱动运营的时代,指标是连接业务目标与实际行动的核心桥梁,是企业解读业务现状、发现问题、预判趋势的“量化标尺”。一套 ...
2026-05-08在存量竞争日趋激烈的商业时代,“以客户为中心”早已从口号落地为企业运营的核心逻辑。而客户画像作为打通“了解客户”与“服务 ...
2026-05-08