线性回归与梯度下降算法
在统计学中,线性回归(Linear Regression)是利用称为线性回归方程的最小平方函数对一个或多个自变量和因变量之间关系进行建模的一种回归分析。这种函数是一个或多个称为回归系数的模型参数的线性组合。
回归分析中,只包括一个自变量和一个因变量,且二者的关系可用一条直线近似表示,这种回归分析称为一元线性回归分析。如果回归分析中包括两个或两个以上的自变量,且因变量和自变量之间是线性关系,则称为多元线性回归分析。
下面我们来举例何为一元线性回归分析,图1为某地区的房屋面积(feet)与价格($)的一个数据集,在该数据集中,只有一个自变量面积(feet),和一个因变量价格($),所以我们可以将数据集呈现在二维空间上,如图2所示。利用该数据集,我们的目的是训练一个线性方程,无限逼近所有数据点,然后利用该方程与给定的某一自变量(本例中为面积),可以预测因变量(本例中为房价)。本例中,训练所得的线性方程如图3所示。
图1、房价与面积对应数据集
图2、二维空间上的房价与面积对应图
图3、线性逼近
同时,分析得到的线性方程为:
接下来还是该案例,举一个多元线性回归的例子。如果增添了一个自变量:房间数,那么数据集可以如下所示:
图4、房价与面积、房间数对应数据集
那么,分析得到的线性方程应如下所示:
因此,无论是一元线性方程还是多元线性方程,可统一写成如下的格式:
上式中x0=1,而求线性方程则演变成了求方程的参数ΘT。
线性回归假设特征和结果满足线性关系。其实线性关系的表达能力非常强大,每个特征对结果的影响强弱可以有前面的参数体现,而且每个特征变量可以首先映射到一个函数,然后再参与线性计算,这样就可以表达特征与结果之间的非线性关系。
1.2 梯度下降算法
为了得到目标线性方程,我们只需确定公式(3)中的ΘT,同时为了确定所选定的的ΘT效果好坏,通常情况下,我们使用一个损失函数(loss function)或者说是错误函数(error function)来评估h(x)函数的好坏。该错误函数如公式(4)所示。
如何调整ΘT以使得J(Θ)取得最小值有很多方法,其中有完全用数学描述的最小二乘法(min square)和梯度下降法。
1.2.1 批量梯度下降算法
由之前所述,求ΘT的问题演变成了求J(Θ)的极小值问题,这里使用梯度下降法。而梯度下降法中的梯度方向由J(Θ)对Θ的偏导数确定,由于求的是极小值,因此梯度方向是偏导数的反方向。
公式(5)中α为学习速率,当α过大时,有可能越过最小值,而α当过小时,容易造成迭代次数较多,收敛速度较慢。假如数据集中只有一条样本,那么样本数量,所以公式(5)中
所以公式(5)就演变成:
当样本数量m不为1时,将公式(5)中由公式(4)带入求偏导,那么每个参数沿梯度方向的变化值由公式(7)求得。
初始时ΘT可设为,然后迭代使用公式(7)计算ΘT中的每个参数,直至收敛为止。由于每次迭代计算ΘT时,都使用了整个样本集,因此我们称该梯度下降算法为批量梯度下降算法(batch gradient descent)。
1.2.2 随机梯度下降算法
当样本集数据量m很大时,批量梯度下降算法每迭代一次的复杂度为O(mn),复杂度很高。因此,为了减少复杂度,当m很大时,我们更多时候使用随机梯度下降算法(stochastic gradient descent),算法如下所示:
即每读取一条样本,就迭代对ΘT进行更新,然后判断其是否收敛,若没收敛,则继续读取样本进行处理,如果所有样本都读取完毕了,则循环重新从头开始读取样本进行处理。
这样迭代一次的算法复杂度为O(n)。对于大数据集,很有可能只需读取一小部分数据,函数J(Θ)就收敛了。比如样本集数据量为100万,有可能读取几千条或几万条时,函数就达到了收敛值。所以当数据量很大时,更倾向于选择随机梯度下降算法。
但是,相较于批量梯度下降算法而言,随机梯度下降算法使得J(Θ)趋近于最小值的速度更快,但是有可能造成永远不可能收敛于最小值,有可能一直会在最小值周围震荡,但是实践中,大部分值都能够接近于最小值,效果也都还不错。
1.2.3 算法收敛判断方法
参数ΘT的变化距离为0,或者说变化距离小于某一阈值(ΘT中每个参数的变化绝对值都小于一个阈值)。为减少计算复杂度,该方法更为推荐使用。数据分析师培训
J(Θ)不再变化,或者说变化程度小于某一阈值。计算复杂度较高,但是如果为了精确程度,那么该方法更为推荐使用。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
数据分析在当今信息时代发挥着重要作用。单因素方差分析(One-Way ANOVA)是一种关键的统计方法,用于比较三个或更多独立样本组 ...
2025-04-25CDA持证人简介: 居瑜 ,CDA一级持证人国企财务经理,13年财务管理运营经验,在数据分析就业和实践经验方面有着丰富的积累和经 ...
2025-04-25在当今数字化时代,数据分析师的重要性与日俱增。但许多人在踏上这条职业道路时,往往充满疑惑: 如何成为一名数据分析师?成为 ...
2025-04-24以下的文章内容来源于刘静老师的专栏,如果您想阅读专栏《刘静:10大业务分析模型突破业务瓶颈》,点击下方链接 https://edu.cda ...
2025-04-23大咖简介: 刘凯,CDA大咖汇特邀讲师,DAMA中国分会理事,香港金管局特聘数据管理专家,拥有丰富的行业经验。本文将从数据要素 ...
2025-04-22CDA持证人简介 刘伟,美国 NAU 大学计算机信息技术硕士, CDA数据分析师三级持证人,现任职于江苏宝应农商银行数据治理岗。 学 ...
2025-04-21持证人简介:贺渲雯 ,CDA 数据分析师一级持证人,互联网行业数据分析师 今天我将为大家带来一个关于用户私域用户质量数据分析 ...
2025-04-18一、CDA持证人介绍 在数字化浪潮席卷商业领域的当下,数据分析已成为企业发展的关键驱动力。为助力大家深入了解数据分析在电商行 ...
2025-04-17CDA持证人简介:居瑜 ,CDA一级持证人,国企财务经理,13年财务管理运营经验,在数据分析实践方面积累了丰富的行业经验。 一、 ...
2025-04-16持证人简介: CDA持证人刘凌峰,CDA L1持证人,微软认证讲师(MCT)金山办公最有价值专家(KVP),工信部高级项目管理师,拥有 ...
2025-04-15持证人简介:CDA持证人黄葛英,ICF国际教练联盟认证教练,前字节跳动销售主管,拥有丰富的行业经验。在实际生活中,我们可能会 ...
2025-04-14在 Python 编程学习与实践中,Anaconda 是一款极为重要的工具。它作为一个开源的 Python 发行版本,集成了众多常用的科学计算库 ...
2025-04-14随着大数据时代的深入发展,数据运营成为企业不可或缺的岗位之一。这个职位的核心是通过收集、整理和分析数据,帮助企业做出科 ...
2025-04-11持证人简介:CDA持证人黄葛英,ICF国际教练联盟认证教练,前字节跳动销售主管,拥有丰富的行业经验。 本次分享我将以教培行业为 ...
2025-04-11近日《2025中国城市长租市场发展蓝皮书》(下称《蓝皮书》)正式发布。《蓝皮书》指出,当前我国城市住房正经历从“增量扩张”向 ...
2025-04-10在数字化时代的浪潮中,数据已经成为企业决策和运营的核心。每一位客户,每一次交易,都承载着丰富的信息和价值。 如何在海量客 ...
2025-04-09数据是数字化的基础。随着工业4.0的推进,企业生产运作过程中的在线数据变得更加丰富;而互联网、新零售等C端应用的丰富多彩,产 ...
2025-04-094月7日,美国关税政策对全球金融市场的冲击仍在肆虐,周一亚市早盘,美股股指、原油期货、加密货币、贵金属等资产齐齐重挫,市场 ...
2025-04-08背景 3月26日,科技圈迎来一则重磅消息,苹果公司宣布向浙江大学捐赠 3000 万元人民币,用于支持编程教育。 这一举措并非偶然, ...
2025-04-07在当今数据驱动的时代,数据分析能力备受青睐,数据分析能力频繁出现在岗位需求的描述中,不分岗位的任职要求中,会特意标出“熟 ...
2025-04-03