机器学习：特征缩减技术(shrinkage): lasso和岭回归

1. 理论

1. 概述:

   通过对损失函数(即优化目标)加入惩罚项，使得训练求解参数过程中会考虑到系数的大小，通过设置缩减系数(惩罚系数)，会使得影响较小的特征的系数衰减到0，只保留重要的特征。常用的缩减系数方法有lasso(L1正则化)，岭回归(L2正则化)。

2. 缩减系数的目的

   2.1 消除噪声特征:

   如果模型考虑了一些不必要的特征，那么这些特征就算是噪声。噪声是没必要的，使得模型复杂，降低模型准确性，需要剔除。

   2.2 消除关联的特征:

   如果模型的特征空间中存在关联的特征，这会使得模型不适定，即模型参数会有多解。训练得到的只是其中一个解，这个解往往不能反映模型的真实情况，会误导模型的分析与理解。训练求解的模型参数受样本影响特别大，样本变化一点点，参数解就跳到另一组解去了。总之，模型是不稳定的。

3. 正则化：

   什么是正则化：

   对损失函数(目标函数)加入一个惩罚项，使得模型由多解变为更倾向其中一个解。
   
   在最小二乘法中，可以这样理解。XTX可能是不可逆的，通过加上正则项，迫使弱的特征的系数缩减为0.

   3.1 lasso(L1正则化):

   与普通的线性回归相同，只是把损失函数换成:

   这样，最优化求解参数过程，就会倾向选择系数比较小的解。当alpha增大，哪些无关的系数会率先缩减为0。但是L1正则化对相关特征的消除无能为力，仍然是不稳定的。

   3.2 岭回归(L2正则化):

   与普通的线性回归相同，只是把损失函数换成:

   与lasso相比，这里的惩罚项加上了平方，这样就对于相关的两个特征，倾向与一个特别大，另一个接近0，起到了消除相关特征的效果。下图为随着alpha变化，系数的缩减效果。

2. 实现

1. 我的实现：

   包含L1与L2:

   https://github.com/autoliuweijie/MachineLearning/blob/master/regression/regression.py

2. scikit-learn:

   岭回归:

   >>> from sklearn import linear_model
   >>> clf = linear_model.Ridge (alpha = .5)
   >>> clf.fit ([[0,0],[0,[1,1]],.1,1]) 
   Ridge(alpha=0.5,copy_X=True,fit_intercept=True,max_iter=None,normalize=False,random_state=None,solver='auto',tol=0.001)
   >>> clf.coef_
   array([ 0.34545455,0.34545455])
   >>> clf.intercept_ 
   0.13636...

   通过交叉验证寻找最优的alpha:

   >>> from sklearn import linear_model
   >>> clf = linear_model.RidgeCV(alphas=[0.1,1.0,10.0])
   >>> clf.fit([[0,1])       
   RidgeCV(alphas=[0.1,10.0],cv=None,scoring=None,normalize=False)
   >>> clf.alpha_                                      
   0.1

   lasso:

   >>> from sklearn import linear_model
   >>> clf = linear_model.Lasso(alpha = 0.1)
   >>> clf.fit([[0,1])
   Lasso(alpha=0.1,max_iter=1000,positive=False,precompute=False,selection='cyclic',tol=0.0001,warm_start=False)
   >>> clf.predict([[1,1]])
   array([ 0.8])

3. 扩展：

更多关于特征选择: http://dataunion.org/14072.html

scikit-learn: http://scikit-learn.org/stable/modules/linear_model.html#lars-lasso

参考：

[1]《机器学习实战》 Peter Harrington  
[2] scikit-learn官方手册