Day19_【机器学习—线性回归 (2)】
三、损失函数简介
线性回归的目标是找到一条最佳拟合直线，而“最佳”是由损失函数定义的，优化过程就是最小化这个损失函数。
损失函数：衡量真实值与预测值之间差异的函数，也叫代价函数、成本函数、目标函数
四、损失函数的数学表达方式
1.最小二乘法
- yi：第 i 个样本的真实值
- y^i：模型预测值
- n：样本数量
2.均方误差MSE
- n：样本数量
- yi：第 i 个样本的真实值
- y^i：模型对第 i 个样本的预测值
- (yi−y^i)：预测误差（残差）
3.平均绝对误差MAE
4.MSE vs MAE 简单对比
| 特性 | MSE | MAE |
|---|---|---|
| 是否放大异常值影响 | ✅ 是（平方） | ❌ 否（绝对值） |
| 是否可导处处 | ✅ 是（光滑） | ❌ 否（在0处不可导） |
| 单位 | 目标值的平方 | 与目标值相同 |
| 优化倾向 | 避免大错误 | 平均小误差 |
五、最小化损失函数的方法
1.递归下降法（重点）
1.1.核心思想
梯度：
- 单变量函数中，梯度就是某一点切线斜率（某一点的导数）；有方向为函数增长最快的方向
- 多变量函数中，梯度就是某一个点的偏导数；有方向：偏导数分量的向量方向
梯度下降：
是一种通过沿损失函数“最陡下降方向”迭代更新参数，以找到最小值的优化算法。
1.2.数学表达式
梯度下降公式： 
注意 ：
1. α: 学习率(步长) ，步长决定了在梯度下降迭代的过程中，每一步沿梯度负方向前进的长度
- 学习率太小，下降的速度会慢
- 学习率太大：容易造成错过最低点、产生下降过程中的震荡、甚至梯度爆炸.
- 范围：0.001 ~ 0.01
2. 梯度的方向
- 实际就是函数在此点上升最快的方向, 我们需要是下降最快的方向, 所以需要加负号
3.梯度下降的优化过程
- 两次差距小于指定的阈值
- 达到指定的迭代次数
1.3.梯度下降分类
目前最常用的是小批量梯度下降（mini-batch），它结合了SGD的高效和FGD的稳定性，避免了两者的缺点，在实际应用中表现出色。
1.3.1 全梯度下降（F GD）
- 特点：使用全部数据集进行训练。
- 优点：
- 训练过程稳定，收敛到全局最优解的可能性大。
- 缺点：
- 计算速度较慢，尤其是在数据量大的情况下。
- 内存占用高，需要存储所有样本的梯度。
1.3.2 随机梯度下降（SGD）
- 特点：每次只使用一个样本进行迭代更新。
- 优点：
- 简单高效，计算速度快。
- 可以在大数据集上实时更新模型参数。
- 缺点：
- 收敛过程不稳定，容易受到噪声影响。
- 容易陷入局部最优解，特别是在遇到异常值时。
1.3.3 小批量梯度下降（mini-batch）
- 特点：结合了SGD的高效和FGD的稳定性，每次使用一小部分样本进行迭代。
- 优点：
- 避免了FGD运算效率低和SGD收敛效果不稳定的缺点。
- 平衡了计算速度和收敛稳定性，是目前最常用的梯度下降方法。
- 应用：
- 广泛应用于深度学习和大规模机器学习任务中。
1.3.4 随机平均梯度下降（SAG）
- 特点：每轮梯度更新都结合了上一轮的梯度值。
- 优点：
- 利用历史梯度信息，优化速度较快。
- 缺点：
- 训练初期表现不佳，优化速度较慢，因为初始梯度常设为0。
- 内存需求较高，需要存储每个样本的历史梯度。
2.正规方程法（了解）
正规方程法的核心思想：利用数学求导+解方程，直接“算出”最优参数。
3.二种方法对比
