当前位置：首页 > news >正文

从机器学习的角度实现 excel 中趋势线：揭秘梯度下降过程

news 2025/9/9 3:00:04

1. 引言：Excel 的“一键魔法”背后藏着什么智慧？

在 Excel 中，我们只需右键 → 添加趋势线，一条完美的直线就出现了。它快得像魔法，但魔法背后，是数学的严谨。

今天，我们不关心 Excel 内部用了什么算法（可能是解析法），而是要问：

如果机器一开始‘什么都不知道’，它该怎么一步步‘学会’画出这条线？

2. 我们的任务：预测一个简单的线性关系

假设我们有一组数据，它们大致遵循 y = 2x + 1 的规律，但有一些随机噪声（模拟真实世界的测量误差）。

我们的目标：仅凭这10个数据点，让机器“学会”这个规律，找到最佳的 a（斜率）和 b（截距）。

3. 准备数据：10 个“玩具”样本

我们用 Python 生成这10个数据点：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt# 设置随机种子，保证结果可复现
np.random.seed(42)# 生成 10 个 x 值，从 1 到 10
x = np.arange(1, 11)  # [1, 2, 3, ..., 10]# 生成 y 值：y = 2x + 1 + 噪声
true_a, true_b = 2, 1
noise = np.random.normal(0, 0.5, size=x.shape)  # 添加标准差为 0.5 的高斯噪声
y = true_a * x + true_b + noise# 查看数据
print("x:", x)
print("y:", np.round(y, 2))  # 保留两位小数

输出：

x: [ 1  2  3  4  5  6  7  8  9 10]
y: [ 3.25  4.93  7.32  9.76 10.88 12.88 15.79 17.38 18.77 21.27]

关键点：真实规律是 y = 2x + 1，但数据有噪声，所以 y 值不完全精确。

4. 可视化：我们的目标是什么？

让我们画出这些数据点，并标出真实的线（y=2x+1）：

plt.figure(figsize=(8, 6))
plt.scatter(x, y, color='blue', label='真实数据点', s=50)
# 画出真实规律的线
x_line = np.linspace(0, 11, 100)
y_line = true_a * x_line + true_b
plt.plot(x_line, y_line, 'g--', label=f'真实规律 y={true_a}x+{true_b}', linewidth=2)plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
plt.title('我们的“学习”任务：根据10个数据点，找到最佳拟合线')
plt.legend()
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.show()

我们的任务就是：仅从这些蓝色散点，让机器找到一条最接近绿色虚线的直线。

**5. 模型定义：`y_pred = a * x + b`**

我们假设模型的形式是：

y_pred = a * x + b

a：斜率（slope）
b：截距（intercept）
初始时，我们不知道 a 和 b 是多少，可以先猜一个值，比如 a=0, b=0。

6. 损失函数：我们“错”了多少？

我们需要一个“尺子”来衡量预测的好坏。用均方误差 (MSE)：

MSE = (1/n) * Σ(y - y_pred)²

代码实现：

def compute_mse(y_true, y_pred):return np.mean((y_true - y_pred) ** 2)# 初始猜测：a=0, b=0
a, b = 0.0, 0.0
y_pred_initial = a * x + b
initial_loss = compute_mse(y, y_pred_initial)
print(f"初始损失 (a=0, b=0): {initial_loss:.3f}")

初始损失 (a=0, b=0): 182.431

解释：损失很大，因为 y_pred 全是 0，和真实 y 差很远。

7. 核心：梯度下降——如何“学习”？

现在，我们教模型如何“学习”：

比喻：你在浓雾中的山坡上，想找到谷底（损失最小的地方）。你看不见路，但能感觉到脚下的坡度（梯度）。你每次都向坡度最陡的下坡方向走一步（更新参数），一步步接近谷底。
数学计算（对 a 和 b 求偏导）：
- ∂MSE/∂a = (2/n) * Σ((a*x + b - y) * x)
- ∂MSE/∂b = (2/n) * Σ(a*x + b - y)
更新规则：
- a = a - learning_rate * ∂MSE/∂a
- b = b - learning_rate * ∂MSE/∂b

8. 动手实现：手动训练模型

# 超参数
learning_rate = 0.01  # 学习率，步长
epochs = 10000           # 训练轮数# 初始化参数
a, b = 0.0, 0.0# 记录历史，用于画图
loss_history = []
a_history = []
b_history = []for i in range(epochs):# 前向：计算预测值y_pred = a * x + b# 计算损失loss = compute_mse(y, y_pred)loss_history.append(loss)a_history.append(a)b_history.append(b)# 计算梯度n = len(x)da = (2 / n) * np.sum((y_pred - y) * x)  # 注意：y_pred - ydb = (2 / n) * np.sum(y_pred - y)# 更新参数a = a - learning_rate * dab = b - learning_rate * db# 打印进度if (i+1) % 1000 == 0:print(f"第 {i+1} 轮: a={a:.3f}, b={b:.3f}, 损失={loss:.3f}")print(f"\n训练完成！")
print(f"我们的模型找到: a ≈ {a:.3f}, b ≈ {b:.3f}")
print(f"真实规律是: a = {true_a}, b = {true_b}")

输出：

第 100 轮: a=2.054, b=0.840, 损失=0.153
第 200 轮: a=2.021, b=1.070, 损失=0.124
第 300 轮: a=2.007, b=1.168, 损失=0.119
第 400 轮: a=2.001, b=1.211, 损失=0.118
第 500 轮: a=1.999, b=1.229, 损失=0.118
第 600 轮: a=1.997, b=1.237, 损失=0.118
第 700 轮: a=1.997, b=1.240, 损失=0.118
第 800 轮: a=1.997, b=1.242, 损失=0.118
第 900 轮: a=1.997, b=1.243, 损失=0.118
第 1000 轮: a=1.997, b=1.243, 损失=0.118训练完成！
我们的模型找到: a ≈ 1.997, b ≈ 1.243
真实规律是: a = 2, b = 1

看！模型通过1000次迭代，a 从 0 逐渐接近 2，b 接近 1，损失不断下降。

9. 可视化学习过程

损失下降曲线：

plt.plot(loss_history)
plt.xlabel('训练轮数 (Epoch)')
plt.ylabel('损失 (MSE)')
plt.title('损失随训练过程下降')
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.show()

参数变化过程：

plt.plot(a_history, label='a (斜率)')
plt.plot(b_history, label='b (截距)')
plt.axhline(y=true_a, color='g', linestyle='--', label='真实 a')
plt.axhline(y=true_b, color='r', linestyle='--', label='真实 b')
plt.xlabel('训练轮数')
plt.ylabel('参数值')
plt.legend()
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.show()

最终拟合结果：

plt.figure(figsize=(8, 6))
plt.scatter(x, y, color='blue', label='真实数据点', s=50)
plt.plot(x_line, y_line, 'g--', label=f'真实规律 y={true_a}x+{true_b}', linewidth=2)
plt.plot(x_line, a * x_line + b, 'r-', label=f'拟合线 y={a:.2f}x+{b:.2f}', linewidth=2)
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
plt.title('梯度下降拟合结果')
plt.legend()
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.show()

excel拟合结果：

10. 对比专业工具：Scikit-learn

让我们看看专业的机器学习库 scikit-learn 是怎么做的：

from sklearn.linear_model import LinearRegression# 注意：sklearn 需要 2D 输入
X = x.reshape(-1, 1)model = LinearRegression()
model.fit(X, y)print(f"Scikit-learn 结果: 斜率 a = {model.coef_[0]:.3f}, 截距 b = {model.intercept_:.3f}")

输出：

Scikit-learn 结果: 斜率 a = 1.997, 截距 b = 1.243

完全一致！ 我们手动实现的梯度下降，和 sklearn 的结果一样。

附. 深入理解：梯度下降 vs 解析法——殊途同归的两种智慧

你可能会问：“我们手动实现的梯度下降，和 scikit-learn 的 LinearRegression，是同一种方法吗？”

答案是：不是。 它们在求解方式、数学基础和适用场景上有本质区别。但最终结果一致，是因为它们都在寻找同一个“最优解”。

下面，我们来揭开这个“黑箱”。

一、核心原理：迭代逼近 vs 数学解析

方法	核心思想	求解方式
手动梯度下降	逐步“试错”，像盲人下山，一步步逼近最优解。	迭代法：重复“计算梯度 → 更新参数”直到收敛。
scikit-learn LinearRegression	直接用数学公式算出理论最优解，一步到位。	解析法（闭式解）：通过公式 `w = (XᵀX)⁻¹Xᵀy` 直接计算。

1. 手动梯度下降（迭代法）

数学逻辑：
- 定义损失函数（MSE）： $L(a,b) = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} (y_i - (ax_i + b))^2$
- 计算梯度（偏导数）： $\frac{\partial L}{\partial a} = \frac{2}{n} \sum_{i=1}^{n} (ax_i + b - y_i) x_i$ ， $\frac{\partial L}{\partial b} = \frac{2}{n} \sum_{i=1}^{n} (ax_i + b - y_i)$
- 更新参数： $a = a - \eta \cdot \frac{\partial L}{\partial a}, \quad b = b - \eta \cdot \frac{\partial L}{\partial b}$ （η 为学习率）
特点：
- 近似解：需要足够迭代才能接近最优。
- 适用于大数据：可分批处理（如随机梯度下降）。
- 需调参：学习率、迭代次数等。

2. scikit-learn LinearRegression（解析法）

数学逻辑：
- 将问题表示为矩阵形式： $\mathbf{y} = \mathbf{X}\mathbf{w} + \boldsymbol{\epsilon}$
- 最优参数 ww 的闭式解为： $\mathbf{w} = (\mathbf{X}^T \mathbf{X})^{-1} \mathbf{X}^T \mathbf{y}$
  这个公式是通过对损失函数求导并令其为 0 推导出的理论最优解。
特点：
- 精确解：无需迭代，一步到位。
- 计算复杂度高：矩阵求逆的复杂度为 O(n3)O(n3)，特征数多时很慢。
- 无超参数：直接计算，无需调学习率。

二、关键差异对比

维度	梯度下降（迭代法）	LinearRegression（解析法）
求解方式	逐步迭代逼近	直接公式计算
结果性质	近似解（可无限接近）	理论最优解
计算效率	大数据更高效	特征多时慢
超参数依赖	需调学习率、迭代次数	无超参数
适用场景	大数据、高维（如深度学习）	小数据、低维（如本例）
数值稳定性	受学习率影响	受多重共线性影响