最小二乘法

代价函数个线性拟合的关系

最小二乘法是最大似然估计得特殊情况

线性回归是什么

线性回归主要用来解决回归问题，也就是预测连续值的问题。而能满足这样要求的数学模型被称为“回归模型”。最简单的线性回归模型是我们所熟知的一次函数（即 y=kx+b），这种线性函数描述了两个变量之间的关系，其函数图像是一条连续的直线。如下图蓝色直线：

图1：线性连续函数

还有另外一种回归模型，也就是非线性模型(nonlinear model)，它指因变量与自变量之间的关系不能表示为线性对应关系(即不是一条直线)，比如我们所熟知的对数函数、指数函数、二次函数等。

图2：非线性连续函数

我们知道“线性回归”就是利用线性模型来解决“回归问题”，那到底什么是回归问题呢？你可以把它理解为“预测”真实值的过程。

在《三国演义》中有一个非常精彩的片段“七星坛诸葛祭风”说的是诸葛亮借东风的故事。其实我们抛开历史，单从科学角度出发，诸葛亮借东风就是一个“回归问题”。首先诸葛亮需要掌握大量的天文地理知识，并凭借自己的知识对以往的天气数据进行大量研究，最后才能预测某个时间将有“东风来临”。这种相似的回归问题，在实际生活中我们经常遇到，比如根据历史行情预测股票走势、预测房屋售价以及电影票房预估等等，而要实现这些预测就需要大量的“历史数据”作为支撑点。

在上述讲解过程中，我们反复提起“预测”与“历史数据”，既然是预测，那么就不能说它是 100 % 精确，所以线性回归只是无限地逼近“真实值”，而这个逼近的过程需要大量“历史数据”提供支持。因此线性回归就是利用线性模型来“预测”真实值的过程。

线性回归方程

那么线性回归是如何实现预测的呢？其实主要是通过“线性方程”，或叫“回归方程”来实现。下面列举一个简单的例子，现有以下一组数据：

根据上表中的规律预测出 9 所对应的输出值，并写出线性方程。这个示例是不是非常简单，我们很容易想到 9 对应的是“18”，这是一道小学生都能解出来题，但请您不要小看这么一个简单的示例，它同样说明了很多问题。线性方程如下所示：

Y=2*X

在上述线程方程中2代表权值参数，而求这个参数的过程就是“回归”，一旦有了这个参数，再给定输入，做预测就非常容易了。具体的做法就是用回归系数乘以输入值，这样就得到了预测值。上述示例的预测函数（或称假设函数）可记为：

y = w1x + b

在前面介绍专业术语时，我们提起过“假设函数”，上述函数就是线性模型的“假设函数”。其中 x 表示输入的样本数据，y 表示输出的预测结果，而 w1 指的是线性回归模型的权值参数，b 指的是线性回归模型的“偏差值”。解决线性回归问题的关键就在于求出权值参数、偏差值。

权值，可理解为个不同“特征”对于预测结果的重要性。权值系数越大，那么这一项属性值对最终结果的影响就越大。

在实际应有中，线性回归模型要更复杂一些，比如要分析实际特征值对结果影响程度的大小，从而调整相应特征值的回归系数。下面举一个简单的应用示例：

现在要判断一个西瓜是否是成熟，根据我们的日常经验可从以下几个特征来判断：外表色泽(x)、根蒂(y)、敲声(z)。而以上三个特征所占用的权值参数也不同。如下所示：

y = 0.2x1 + 0.5x2 + 0.3 x3 + 1

上述表达式可以看出每一个特征值对预测结果的影响程度不同，根蒂是否“枯萎”对结果影响最大，而外表色泽是否鲜亮，敲声是否沉闷则占据次要因素。

当然采集数据的时也会存在一些无用数据，比如西瓜的外形、价格，这些特征不会对预测结果产生影响，因此它们权值参数为“0”。从这个例子可以得出“权值参数”是决定预测结果是否准确的关键因素。

实现预测的流程

下面通过一个具体实例讲解线性回归预测的具体流程。

1) 数据采集

任何模型的训练都离不开数据，因此收集数据构建数据集是必不可少的环节。比如现在要预测一套房子的售价，那么你必须先要收集周围房屋的售价，这样才能确保你预测的价格不会过高，或过低。如下表所示：

图3：数据集样本

当然上述样本数量远远不足，如果想要更加准确的预测就要收集更多的数据，至少保证 100 条样本。表格中的最后一栏是“房屋售价”，这是“有监督学习”的典型特点，被称为 “标签” 也就是我们所说的“参考答案”。表格中的面积、数量、距离市中心距离（km），以及是否是学区房，这些都是影响最终预测结果的相关因素，我们称之为“特征”，也叫“属性”。

你可能会认为影响房屋售价的不止这些因素，没错，不过采集数据是一个很繁琐的过程，因此一般情况下，我们只选择与预测结果密切相关的重要“特征”。

2) 构建线性回归模型

有了数据以后，下一步要做的就是构建线性回归模型，这也是最为重要的一步，这个过程会涉及到一些数学知识，至于如何构建模型，下一节会做详细介绍。

构建完模型，我们需要对其进行训练，训练的过程就是将表格中的数据以矩阵的形式输入到模型中，模型则通过数学统计方法计算房屋价格与各个特征之间关联关系，也就是“权值参数”。训练完成之后，您就可以对自己的房屋价格进行预测了。首先将数据按照“特征值”依次填好，并输入到模型中，最后模型会输出一个合理的预测结果。示意图如下所示：

构建线性回归模型

本节讲解如何构建线性回归算法中的“线性模型”，所谓“线性”其实就是一条“直线”。因此，本节开篇首先普及一下初中的数学知识“一次函数”。

一次函数

一次函数就是最简单的“线性模型”，其直线方程表达式为y = kx + b，其中 k 表示斜率，b 表示截距，x 为自变量，y 表示因变量。下面展示了 y = 2x + 3 的函数图像：

图1：函数图像y=2x+3

函数中斜率 k 与 截距 b 控制着“直线”的“旋转”与“平移”。如果斜率 k 逐渐减小，则“直线”会向着“顺时针”方向旋转，为 k= 0 的时候与 x 轴平行。截距 b 控制“直接”的上下平移，b 为正数则向上平移，b 为负数则表示向下平移。

在机器学习中斜率 k 通常用 w 表示，也就是权重系数，因此“线性方程”通过控制 w 与 b 来实现“直线”与数据点最大程度的“拟合”。如下图（黑色 x 号代表数据样本）所示：

图2：线性拟合

线性方程不能完全等同于“直线方程”，因为前者可以描述多维空间内直接，而后者只能描述二维平面内的 x 与 y 的关系。

构建线性模型

在线性回归问题中数据样本会呈现“线性”分布的态势，因此我们使用“线性方程”来最大程度的“拟合数据”。线性方程预测的结果具有连续性，下面通过示例简单说明：小亮今年 8 岁，去年 7 岁，前年 6 岁，那么他明年几岁呢？估计你闭着眼都能想到答案，但是我们要从机器学习的角度去看待这个问题。

首先年龄、时间是一组连续性的数据，也就是因变量随着自变量规律性地连续增长，显然它是一个“回归问题”。下面把上述数据以二维数组的形式表示出来，构建一个数据集，如下所示：

[[2021,8],
[2020,7],
[2019,6]]

我们知道两个点就可以确定一条“直线”，因此将两组数据带入 y = kx + b，最终求得“线程方程”：

y = x - 2013

上述函数就是所谓的“假设函数”，通过它即可实现对结果的预测。这个函数的图像如下所示：

图3：假设函数图像

从上述函数图像可以看出，直线对数据样本恰好“拟合”。这是最标准的拟合直线，通过它就可以“预测”出小亮明年的年龄了。上述示例就构建了一个简单的的“线性模型”。读到这里你会惊叹“怎么如此简单”，其实线性模型就是这么简单。对于机器学习而言，最关键的就是“学习”，在大量的数据中，通过不断优化参数，找到一条最佳的拟合“直线”，最终预测出一个理想的结果。

通过前面内容的介绍，我相信你对线性回归算法已经有了初步的认识。那我们应该如何在一大堆数据中求解出“线性方程呢”比如前面提及的房价预测问题？这种问题才是符合实际应用的。数据样本会散落在“线性方程”的周围（下图 2 所示）， 而我们要做就是让线性方程的“直线”尽可能“拟合”周围的数据点。本节我们将从数学角度解析线性回归模型。

假设函数

通过前面知识的学习，我们知道假设函数是用来预测结果的。前面讲述时为了让大家更容易理解“线性回归”，我们以“直线方程”进行了类比讲解，然而线性方程并不等同于“直线方程”，线性方程描绘的是多维空间内的一条“直线”，并且每一个样本都会以向量数组的形式输入到函数中，因此假设函数也会发生一些许变化，函数表达式如下所示：

乍一看你可能蒙圈了，记住不用紧张。其实它和 Y=wX + b 是类似的，只不过我们这个标量公式换成了向量的形式。如果你已经学习了 《NumPy 教程》，那么这个公司很好理解，Y1仍然代表预测结果， X1表示数据样本， b表示用来调整预测结果的“偏差度量值”，而wT表示权值系数的转置。矩阵相乘法是一个求两个向量点积的过程，也就是按位相乘，然后求和，如下所示：

图1：矩阵乘法运算

矩阵 A 的每一行分别与矩阵 B 的每一列相乘，比如 1*5+2*5+3*7 =36 、1*2+2*6+3*6=32、1*6+2*7+3*4=32，即可得出结果的第一行数据。

转置操作的目的是为了保证第一个矩阵的列数（column）和第二个矩阵的行数（row）相同，只有这样才能做矩阵乘法运算。

您也可以将假设函数写成关于 x 的函述表达式，如下所示：

损失函数

我们知道，在线性回归模型中数据样本散落在线性方程的周围，如下图所示：

图2：线性回归模型

损失函数就像一个衡量尺，这个函数的返回值越大就表示预测结果与真实值偏差越大。其实计算单个样本的误差值非常简单，只需用预测值减去真实值即可：

单样本误差值 = Y1 - Y

但是上述方法只适用于二维平面的直线方程。在线性方程中，要更加复杂、严谨一些，因此我们采用数学中的“均方误差”公式来计算单样本误差：

公式是求“距离”因此要使用平方来消除负数，分母 2 代表样本的数量，这样就求得单样本误差值。当我们知道了单样本误差，那么总样本误差就非常好计算了：

最后，将假设函数带入上述损失函数就会得到一个关于 w 与 b 的损失函数（loss），如下所示：

在机器学习中使用损失函数的目的，是为了使用“优化方法”来求得最小的损失值，这样才能使预测值最逼近真实值。

在上述函数中 n、Y、X1 都是已知的，因此只需找到一组 w 与 b 使得上述函数取得最小值即可，这就转变成了数学上二次函数求极值的问题，而这个求极值的过程也就我们所说的“优化方法”。