【机器学习】简单线性回归算法及代码实现
线性回归算法
- 一、摘要
- 二、线性回归算法概述
- 三、损失函数的定义和衡量标准
- 四、简单线性回归的求解和应用
- 五、机器学习算法一般求解思路
一、摘要
本文讲解了线性回归算法的基础知识和应用，强调线性回归主要用于解决回归问题。通过分析房产价格与房屋面积的关系，展示了线性回归的基本思想。文中提到线性回归算法的实现简单，但背后有强大的数学支撑。介绍了简单线性回归与多元线性回归的区别，并解释了如何通过最小二乘法找到最佳拟合直线。同时，探讨了线性回归算法的可解释性以及在机器学习中的重要地位，指出它是许多复杂模型的基础。此外，还提到了最优化原理在机器学习算法中的应用，以及如何通过线性回归算法学习机器学习中的重要思想。
二、线性回归算法概述
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线性回归算法是机器学习领域的重要算法，主要用于解决回归问题，属于监督学习。
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线性回归算法思想简单，实现容易，背后具有强大的数学性质。
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线性回归算法是许多非线性模型的基础，如
多项式回归、逻辑回归和SVM。 -
线性回归算法结果具有很好的可解释性，可以通过数据分析学习真实世界的知识。
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线性回归算法的主要目的是通过数据拟合一条直线，最好地预测因变量（目标变量）。
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线性回归算法的数学原理：
- 1.线性回归算法假设样本特征与样本输出标记之间存在线性关系。
- 2.通过找到一条直线，最大程度拟合样本特征和样本输出标记之间的关系。
- 3.二维平面图中，每个点表示一个数据，
横轴代表样本特征，纵轴代表样本输出标记。
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线性回归分类：
- 简单线性回归
- 简单线性回归为 y=a+bx，其中a是截距，b是斜率；
- 1.简单线性回归假设样本特征只有一个，如房屋面积。
- 2.通过找到最佳拟合直线方程y=ax+b，预测样本输出标记的值。
- 3.预测值y[^i]表示为a×xi+b，其中xi是样本特征值。
- 4.
真实值y与预测值y[^i]之间的差距称为误差，线性回归算法的目标是寻找到一个函数，通过找到最佳的a和b，使得该函数的值尽可能很小，这个函数称之为损失函数。
- 多元线性回归
多元线性回归扩展到多个自变量。
- 简单线性回归
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线性回归算法的工作流程
- 数据准备 ：确保自变量和因变量独立且同分布，数据标准化可能有助于准确性。
- 模型建立 ：选择
损失函数（如最小二乘法）并通过优化算法（如梯度下降或随机森林）拟合模型。 - 评估与调优 ：使用
交叉验证评估模型性能，防止过拟合。
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线性回归算法的应用场景
- 预测分析 ：如房价、温度与气压、存活率等。
- 质量控制 ：通过维度的影响评估产品性能。
- 经济预测 ：用于股票价格或消费水平预测。
三、损失函数的定义和衡量标准
- 损失函数用于衡量真实值与预测值之间的差距。
- 常用的一种损失函数是平方误差损失函数，通过计算误差的平方来衡量差距。在线性回归中，损失函数通常表示为平方误差函数，即预测值与真实值之差的平方和。使用平方误差损失函数的原因包括其处处可导性，便于后续的数学计算。
- 求函数极值的基本方法是求导数并令导数等于零。通过对损失函数y分别对a和b求导，并令导数等于零，可以找到使损失函数最小的a和b值。
四、简单线性回归的求解和应用
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简单线性回归的求解包括找到参数a和b的最小二乘解。
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通过
最小二乘法，a和b的求解有了直接的数学表达式。
最小二乘法是一种数学优化技术，通过最小化误差的平方和来寻找数据的最佳函数匹配。在监督学习中，最小二乘法用于拟合线性回归模型，通过最小化预测值与真实值之间的平方误差之和，来求解模型的参数。 -
简单线性回归的求解思路可以推广到多元线性回归的情况。
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具体实现过程：
- 实现思路及步骤：
- 1.加载相应的库，并使用假数据进行线性回归过程。
- 2.创建xy两个np数组，并绘制散点图。
- 3.计算x和y的均值，并使用公式计算a和b。
- 4.a的计算包括分子和分母两部分，通过循环求和计算。
- 5.b的计算直接使用公式y的均值减去a乘以x的均值。
- 6.绘制ax+b的直线图，并显示预测结果。
- 代码实现过程：
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1.先导入相关库，定义好测试数据及该数据在二维平面上的散点图分布：
# 导入型相关的库 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 定义x和y两个向量 x = np.array([1.,2.,3.,4.,5.]) y = np.array([1.,3.,2.,3.,5.]) # 先二维平面上绘图查看数据分布 plt.scatter(x,y) plt.axis([0,6,0,6]) # 定义横纵坐标值的范围为[0,6] plt.show()执行效果如下：
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2.根据公式求解线性方程y=ax + b
# 先分别求出x和y的均值 x_mean = np.mean(x) y_mean = np.mean(y) # 先求a的分子部分 numerator = 0.0 # 分子 denominator = 0.0 # 分母 for x_i,y_i in zip(x,y): numerator += (x_i - x_mean) * (y_i - y_mean) denominator += (x_i - x_mean)**2 # 然后在求出a的值 a = numerator / denominator # 最后再求出b的值 b = y_mean - a*x_mean # 此时可以得到线性方程中的预测值y_hat y_hat = a * x + b # 为了好看，将y_hat这条直线绘制出来 plt.scatter(x,y) # 5个点的散点图 plt.plot(x,y_hat,color='r') # 绘制直线,x还是原来的向量x(自变量)，y_hat就是求出来的值（因变量） plt.axis([0,6,0,6]) plt.show()执行效果如下：
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3.给定假设的新样本点，带入线性回归方程中，求得预测值：
# 给一个假设的新的样本点x_predict x_predict = 6 # 调用我们的模型y=ax + b，得到一个预测值y_predict y_predict = a * x_predict + b print("预测值=",y_predict)执行效果如下：
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- 实现思路及步骤：
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按照scikit-learn的代码风格，将上述代码进行封装：
- 1.创建一个simple linear regression.py文件，定义SimpleLinearRegression类。
- 2.构造函数初始化a和b参数，使用下划线命名表示这些是算法计算结果。
- 3.fit函数接收训练数据x和y，计算a和b并保存。
- 4.predict函数接收预测数据x，使用已计算的a和b进行预测。
- 5.输出a和b的值，以及预测结果。
- 6.在PyCharm中封装完成后的代码如下：
import numpy as np class SimpleLinearRegressionModel: def __init__(self): # 初始化线性回归模型的参数a和b为None self.a_ = None self.b_ = None def fit(self, x_train, y_train): """ 根据训练数据集x_train,y_train训练Simple Linear Regression模型 """ # 断言x_train的维度为1，确保是单特征训练数据 assert x_train.ndim == 1, \ "Simple Linear Regressor can only solve single feature training data." # 断言x_train和y_train的长度相等，确保数据匹配 assert len(x_train) == len(y_train), \ "the size of x_train must be equal to the size of y_train" # 先分别求出x和y的均值 x_mean = np.mean(x_train) y_mean = np.mean(y_train) # 先求a的分子部分 numerator = 0.0 # 分子 denominator = 0.0 # 分母 # 遍历训练数据，计算分子和分母 for x_i, y_i in zip(x_train, y_train): numerator += (x_i - x_mean) * (y_i - y_mean) denominator += (x_i - x_mean) ** 2 # 然后计算a的值 self.a_ = numerator / denominator # 最后计算b的值 self.b_ = y_mean - self.a_ * x_mean return self def predict(self, x_predict): """ 给定待预测数据集x_predict，返回表示x_predict的结果向量 """ # 断言x_predict的维度为1，确保是单特征数据 assert x_predict.ndim == 1, \ "Simple Linear Regressor can only solve single feature training data." # 断言模型已经训练过（a_和b_不为None） assert self.a_ is not None and self.b_ is not None, \ "must fit before predict!" # 对每个待预测数据调用_predict方法，生成预测结果数组 return np.array([self._predict(x) for x in x_predict]) def _predict(self, x_single): """ 给定单个待预测数据x_single，返回x_single的预测结果值 """ # 根据训练得到的参数a_和b_进行预测计算 return self.a_ * x_single + self.b_ def __repr__(self): # 返回模型的字符串表示形式 return "SimpleLinearRegressionModel()" - 7.在jupyter中调用并预测：
1.实例化SimpleLinearRegression类，无需传入参数。
2.调用fit方法传入x和y数据，训练模型。
3.调用predict方法进行预测，传入预测数据x。
4.输出预测结果，以及学到的a和b参数。
5.绘制原始数据和预测直线的图表。
执行结果：# 导入在PyCharm中封装好的工程项目 import sys project_path = 'D:/PycharmProjects/pythonProject/' if project_path not in sys.path: sys.path.append(project_path) from SimpleLinearRegressionModel import SimpleLinearRegressionModel sreg = SimpleLinearRegressionModel() sreg.fit(x,y) # 给一个假设的新的样本点x_predict x_predict = 6 sreg.predict(np.array([x_predict]))
绘制图像查看下：
五、机器学习算法一般求解思路
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机器学习算法的求解思路包括
确定目标函数和最优化该函数。 -
目标函数可以是
损失函数或效用函数。 -
参数学习算法通过学习模型的参数来最优化目标函数。
近乎所有参数学习算法都是如图所示的套路。
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最优化原理在机器学习算法中发挥着重要作用，常见如最优化原理和凸优化。
- 1.
最优化原理不仅用于机器学习算法，也在传统计算机算法领域中发挥重要作用。 - 2.
凸优化是最优化原理的一个分支领域，解决一类特殊的优化问题。
- 1.