[深度之眼机器学习训练营第四期]过拟合与正则化

基本概念

机器学习模型面临的两个主要问题是欠拟合与过拟合。欠拟合，即模型具有较高的偏差，说明模型没有从数据中学到什么，如下左图所示。而过拟合，即模型具有较高的方差，意味着模型的经验误差低而泛化误差高，对新数据的泛化能力差，如下右图所示。

通常，欠拟合是由于模型过于简单或使用数据集的特征较少导致的。相反，过拟合则是模型过于复杂或特征过多引起的。欠拟合的问题比较容易解决，而过拟合的问题则有些棘手。一般而言，解决过拟合的方法包括降维和正则化。

正则化损失函数

正则化是通过向损失函数中添加惩罚项以限制参数大小的一种方法。假设我们有如下多项式线性回归模型：
\[h_\theta(x)\theta_0 + \theta_1x+\theta_2x^2+\theta_3x^3+\theta_4x^4\]
为了避免模型过于复杂，我们需要削弱\(\theta_3x^3\)和\(\theta_4x^4\)对模型的影响。因此，我们需要对这两项进行“惩罚”，避免它们过大。所以，我们把这两个参数乘以一个较大的系数，加到损失函数中：
\[\min_{\theta} \frac{1}{2n}\sum_{i=1}^n\left(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)}\right) + 1000 \cdot \theta_3^2+ 1000 \cdot \theta_4^2\]
这样一来，为了求解损失函数的最小值，式中\(\theta_3\)和\(\theta_4\)的值就不能过大，也就限制了模型的复杂度。如果要限制所有的参数，那么损失函数就是下面这种形式：
\[\min_{\theta} \frac{1}{2n}\sum_{i=1}^n\left(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)}\right) + \lambda\sum_{j=1}^d\theta_j^2\]
其中\(\lambda \gt 0\)是正则化参数。下面，我们将正则化应用到之前所学的线性回归和对数几率回归中。

线性回归

梯度下降法

损失函数：
\[J(\theta) = \frac {1}{2n}\left[ \sum_{i=1}^n \left( h_\theta (x^{(i)}) - y^{(i)} \right)^2 + \lambda\sum_{j=1}^d\theta_j^2\right]\]
今天懒得推导了（其实这个和不带正则化项的推导差不多），直接写更新方程吧：
\[\begin{aligned} & \text{Repeat}\ \lbrace \\ & \ \ \ \ \theta_0 := \theta_0 - \alpha\ \frac{1}{n}\ \sum_{i=1}^n (h_\theta(x^{(i)}) - y^{(i)})x_0^{(i)} \\ & \ \ \ \ \theta_j := \theta_j - \alpha\ \left[ \left( \frac{1}{n}\ \sum_{i=1}^n (h_\theta(x^{(i)}) - y^{(i)})x_j^{(i)} \right) + \frac{\lambda}{n}\theta_j \right] &\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ j \in \lbrace 1,2...d\rbrace\\ & \rbrace \end{aligned}\]

正规方程法

\[\begin{aligned}& \theta = \left( X^TX + \lambda \cdot L \right)^{-1} X^Ty \text{, where}\ \ L = \begin{bmatrix} 0 & & & & \\ & 1 & & & \\ & & 1 & & \\ & & & \ddots & \\ & & & & 1 \\ \end{bmatrix}_{(d+1)\times(d+1)}\end{aligned}\]
\(X^TX + \lambda \cdot L\)这个东西必定可逆。

首先，因为\(\vec{u}^TA^TA\vec{u}=\|A\vec{u}\|^2 \ge0\)，所以\(A^TA\)是半正定矩阵，即\(A^TA\)的所有特征值\(\mu_i\ge 0\)。由\(A^TA\vec{u}=\mu_i \vec{u}\)可以推出\((A^TA+\lambda I)\vec{u}=(\mu_i+\lambda)\vec{u}\)，因此\(A^TA+\lambda I\)的特征值为\(\mu_i+\lambda\)。又因为\(\lambda \gt 0\)，所以\(\mu_i+\lambda\gt0\)。由于\(A^TA+\lambda I\)的所有特征值都是大于\(0\)的，因此矩阵\(A^TA+\lambda I\)一定可逆。

对数几率回归

损失函数：
\[J(\theta) = -\frac{1}{n} \sum _{i=1}^n \left[ y^{(i)} \log h_\theta(x^{(i)}) + (1-y^{(i)})\log(1 - h_\theta(x^{(i)})) +\frac{\lambda}{2}\sum_{j=1}^d\theta_j^2\right ]\]
更新方程与线性回归类似，这里就不写了。