正则化线性回归的方差与偏差！

利用正则化线性回归模型来了解偏差和方差的特征

实例：

首先根据数据建立线性回归模型，模型能够根据水库液位的变化来预测大坝的排水量，然后通过调整参数等方法来学习偏差和方差的一些特性。

1.概念

偏差：度量了学习算法的期望预测与真实结果的偏离程度，即刻画了学习算法本身的拟合能力；

方差：度量了同样大小的训练集的变动所导致的学习性能的变化，即刻画了数据扰动所造成的影响（模型的稳定性）。

2.构建正则化线性模型

（1）载入数据

打开数据集 ex5data1.mat ，数据集包含了以下内容：

名称 维度 X (12,1) y (12,1) Xtest (21,1) ytest (21,1) Xval (21,1) yval (21,1) 其中：

X，y 是?训练集?，用来训练模型；

Xval，yval 是?交叉验证集?，主要用来确定模型中的超参数，如正则化参数 lambda ；

Xtest，ytest 是?测试集?，主要评估模型的泛化能力。

（2）将 X，y 可视化

横轴表示水位的变化，纵轴表示水流量，单纯的线性回归也能计算出模型，但那样做偏差特别大，拟合程度很差，即出现?欠拟合?。

Plot X and y

参考代码：def plotXY(self,x,y):
 plt.scatter(x,y,marker='x',color='r')
 plt.xlabel('Change in water level(x)')
 plt.ylabel('Water flowing out of the dam (y)')
 plt.show()

（3）计算正则化线性回归损失函数J

损失函数公式如下，注意正则化项是?从下标1?开始计算的，lambda就是正则化系数，它控制模型复杂度的"惩罚"力度。

Cost J

（4）计算正则化线性回归梯度Gradient

损失函数J对?theta0和theta1?的偏导数定义如下，即要计算的梯度公式。

Gradient

参考代码：def linearRegCostFunction(self,theta,lamda):
 m = x.shape[0]
 theta = theta.reshape((x.shape[1],1))
 cost = np.sum((x.dot(theta)-y)**2)/(2*m)
 regular = lamda/(2*m)*np.sum(theta[1::]**2)
 J = cost + regular
 return J
def linearRegGradient(self,lamda):
 m = y.shape[0]
 theta = theta.reshape((x.shape[1],1))
 grad = np.zeros((x.shape[1],1))
 grad[0] = 1/m*(x[:,0:1].T.dot(x.dot(theta)-y))
 grad[1::] = 1/m*(x[:,1::].T.dot(x.dot(theta)-y)) + lamda/m*theta[1::]
 return grad

（5）拟合线性回归

当我们根据上述公式计算损失函数和梯度得到正确的结果后，我们利用之前提到的 scipy.optimize 中的 minimize 函数来计算最优的 theta0 和 theta1 ，计算得到 theta 的结果后，将 lambda 的值设为?0?，因为当前模型只有 theta1 和 theta2 两个值，模型很简单，没必要设置正则化项。

将得到的 theta 值同 X 相乘，得到预测的 y_predict ，将结果进行绘制，得到拟合的结果，如下图。

可以看出得到的结果并不好，在接下来的内容里，我们逐步讨论。

Fit X and y

参考代码：def plotTrainingLine(self,y):
 theta = self.trainLinearReg(x,0)
 plt.scatter(self.x,self.y,marker='+',color='r')
 plt.plot(self.x,x.dot(theta),'--',linewidth=2)
 plt.xlabel('Change in water level (x)')
 plt.ylabel('Water flowing out of the dam (y)')
 plt.legend(['Trained','Original'])
 plt.show()

3.方差和偏差

（1）绘制学习曲线

绘制?训练集和交叉验证集的误差?与?训练样本数量?之间的学习曲线，?注意：?训练集误差和交叉验证集误差都没有计算正则化项，后面我们单独讨论正则化系数对误差造成的影响。

观察下图，随着样本数量逐渐增加，训练集和交叉验证集之间的误差仍然是较大的，这就反应了模型的?高偏差问题?，即?欠拟合?。

因为模型太简单了，不能很好的拟合我们的数据，接下来我们将训练模型修改，建立一个8次多项式。

Learning curve for Linear Reg

参考代码：def learningCurve(self,xval,yval,lamda):
 m = x.shape[0]
 error_train = np.zeros((m,1))
 error_val = np.zeros((m,1))
 print("Training Examples   Train Error Cross Validation Error
")
 for i in range(m):
 theta = self.trainLinearReg(x[:1+i,:],y[:1+i],lamda)
 error_train[i] = self.linearRegCostFunction(theta,x[:1+i,0)
 error_val[i] = self.linearRegCostFunction(theta,0)
 print("        %d          %f      %f
"%(i,error_train[i],error_val[i]))
 return [error_train,error_val]
def plotLinerRCurve(self):
 error_train,error_val = self.learningCurve(self.x_plus_one,self.xval_plus_one,self.yval,0)
 plt.xlim([0,13])
 plt.ylim([0,150])
 plt.plot([i for i in range(12)],error_train,'r')
 plt.plot([i for i in range(12)],error_val,'b')
 plt.title('Learning curve for linear regression')
 plt.xlabel('Number of training examples')
 plt.ylabel('Error')
 plt.legend(['Train','Cross Validation'])
 plt.show()

（2）建立多项式回归模型

由于一次线性模型太简单，导致欠拟合，我们添加更多的"特征"，做一个?八?次多项式。?具体最高项应该设置成几次这个问题，也是没有定式，只能说多尝试，找到较为合适的最高次数。

参考代码：

def polyFeatures(self,p):
 x_ploy = np.zeros((np.size(x),p),np.float32) # (12,8)
 m = np.size(x) # 12
 for i in range(m):
 for j in range(p):
 x_ploy[i,j] = x[i]**(j+1)
 return x_ploy

（3）绘制多项式回归模型拟合曲线

根据上一部分得到的多项式，因为同样是解决一个线性回归的问题，所以之前的损失函数和梯度计算函数仍可使用。

接下来利用优化函数计算得到最优的 theta 值，绘制拟合曲线，当设置正则化系数?lambda=0?的时候，意味这对模型复杂度没有任何处理，得到下图。

可以看出，我们的模型训练的非常好，基本穿过了每一个点，训练误差肯定很小，但是在一些极值外，函数迅速的上升和下降，这就意味这我们设计的模型?过拟合?了，虽然对训练数据拟合很好，但是不具有很好的泛化能力，也意味着模型不稳定。

Polynomial Reg Fit with lambda=0

观察下?lambda=0?的情况下，训练误差和交叉验证误差的曲线，非常明显，训练误差几乎为0，而交叉验证误差却很大，训练集和交叉验证集之间的空隙充分反应了模型的?高方差问题?。

Polynomial Reg Learning curve with lambda=0

此时我们让正则化系数为1，再重复上面的试验，我们再来看下你和曲线和学习曲线的图形。

一目了然，多项式模型很好的拟合了数据，训练误差和交叉验证集误差曲线都随着样本数量的增加都?收敛于一个较小的值?，因此我们认为当 lambda=1 时，得到的模型没有?高偏差和高方差的问题?，实际上也是模型在方差和偏差之间进行了很好的?折中?。

Polynomial Reg Fit with lambda=1

Learning curve with lambda=1

参考代码：def plotFit(self,mu,sigma,p):
 x = np.arange(np.min(x) - 15,np.max(x) + 25,0.05)
 x = x.reshape((-1,1))
 x_poly = self.polyFeatures(x,p)
 x_poly = x_poly - mu
 x_poly = x_poly/sigma
 x_poly = np.hstack([np.ones((x_poly.shape[0],1)),x_poly])
 plt.plot(x,x_poly.dot(theta),linewidth=2)
 plt.title('Polynomial Regression Fit (lambda=0.00)')
 plt.xlabel('Change in water level (x)')
 plt.ylabel('Water flowing out of the dam (y)')
 plt.show()

（4）利用交叉验证集选择lambda

通过上面的试验，我们可以知道，lambda明显的影响着多项式正则化回归的训练误差和交叉验证误差。 当lambda为0甚至很小的时候，模型可以很好的拟合训练集，不具备好的泛化能力，当lambda很大的时候，模型又不能很好的拟合数据，出现欠拟合问题 ，那么到底怎样选择一个lambda的值呢？

我们根据上面的实例，选择10个lambda的值，分别绘制每个lambda对应的训练误差和交叉验证集误差，

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lambda_vec = {0; 0:001; 0:003; 0:01; 0:03; 0:1; 0:3; 1; 3; 10}

绘制得到下图， 从图中我们可以看出最好的lambda值出现在?3?附近，此时测试误差值大约3.8599，结果已经相当不错了。

Find the best lambda

参考代码：def validationCurveForLamdas(self,lamda_vec):
 error_train = np.zeros((len(lamda_vec),1))
 error_val = np.zeros((len(lamda_vec),1))
 print("Lambda      Train Error Validation Error
")
 for i in range(len(lamda_vec)):
 lamda = lamda_vec[i]
 theta = self.trainLinearReg(x,0)
 print("        %d          %f      %f
" % (i,error_val]

（编辑：李大同）

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