線性迴歸

標籤（空格分隔）： 深度學習

我們舉一個實際的例子：我們希望根據房屋的面積和房齡來預計房屋價格。為了開發一個能夠預測房價的模型，我們需要收集一個真實的資料集。

1. 該資料集包括：房屋的銷售價格，房齡和麵積。在機器學習的術語中，該資料整合為訓練資料集或訓練集，每一行資料被稱為樣本，也可成為資料點或者資料樣本。我們預測的目標（在這個例子中是房屋價格）成為標籤或目標。預測所根據的自變數成為特徵或者協變數。

2. 通常我們使用\(n\)來表示資料集中的樣本數量。對搜因為\(i\)的樣本，其輸入表示為\(X^{(i)}=[x_{1}^{(i)},x_2^{(2)}]^T\)，其輸出對應的標籤是\(y^{(i)}\)

線性模型

線性假設是指目標可以表示為特徵的加權和，如下面的式子：$$price = \omega_{area}\cdot area+\omega_{age}\cdot age +b \tag1$$
中的\(\omega_{area}\)和\(\omega_{age}\)稱為權重，\(b\)稱為偏置(bias)，或稱為偏移量(offset)、截距(intercept)。權重決定了每個特徵對我們預測值的影響，偏執是指當所有特徵都取為0時，預測值應該為多少。即使現實中不會有任何房子的面積是0 或者房齡正好為0年，我們仍然需要偏置項。如果沒有偏置項，我們模型表的能力將受到限制。嚴格的講\(公式（1）\)

*是輸入特徵的一個仿射變換**。仿射變換的特點就是通過加u去哪和特徵進行線性變換，並通過偏置項來進行平移。

給定一個數據集，我們的目標是尋找模型的權重\(W\)和偏置\(b\)，使得根據模型做出的預測答題符合資料裡的真實價格。輸出的預測值由輸入特徵通過線性模型的仿射變換決定，仿射變換由所選權重和偏置決定。

• 有些學科往往只關注有少量特徵的資料集，在這些學科中，建模時經常想這樣通過長形式顯示地表達。而在機器學習領域，我們通常使用的是高維資料集，建模時採用線性代數表示法會比較方便。當我們的輸入包含\(d\)個特徵時、我們將預測結果\(\hat{y}\)(通常使用“尖號”符號表示估計值)表示為：$$\hat{y}=\omega_1x_1+\dots+\omega_dx_d+b \tag2$$

將特徵向量放到\(x\in\mathbb{R}^d\)中，並將所有權重放到\(w\in\mathbb{R}^d\)中，我們可以用點積形式來簡潔的表達模型：$$\hat{y}=w^Tx+b\tag3$$
在公式3中，向量\(x\)對用於單個數據特徵的樣本。用符號表示的矩陣\(X\in\mathbb{R}^{x\times{d}}\)可以很方便的引用我們整個資料集的n個樣本。其中，X的每一行是一個樣本，每一列是一種特徵。
對於特徵集合\(X\)，預測值\(\hat{y}\in\mathbb{R}^n\)可以通過\(矩陣-向量\)乘法表示為：\(\hat{y}=Xw+b\tag4\)

損失函式

在我們開始考慮如何用模型擬合數據之前，我們需要確定一個擬合程度的度量。損失函式能夠量化目標的實際值和預測值之間的差距。通常我們回選擇非負數作為損失，且數值越小表示損失越小，完美與測試的損失為0，迴歸問題中最常用的損失函式是平方誤差數。當樣本\(i\)的預測值為\(\hat{y}^i\)其對應的真是標籤為\(y^{(i)}\)時，平方誤差可以定義為以下公式：$$l^{{(i)}(\boldsymbol{w},b)=\frac{1}{2}(\hat{y}}{(i)}-y^{i})2\tag5$$
常數\(\frac{1}{2}\)不會帶來本質的差別，但這樣在形式上稍微簡單一些，表現為我們對損失函式求導後常數係數為1. 此處的平方時因為 較大的差異值可以帶來更大的損失函式。為了度量模型在整個資料集上的質量，我們需要計算在訓練集n個樣本上的損失均值。$$L(\boldsymbol{w},b)=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nl{(i)}(\boldsymbol{w},b)=\frac{1}{2n}\sum_{i=1}^n(wTx^{(i)}+b-y{(i)})^2\tag6$$
在訓練模型的時候，我們希望能夠尋找一組引數，這組引數可以最小換在所有訓練樣本上的總損失$$(\boldsymbol{w}^*,b*)=argmin L(w,b)\tag7$$

解析解

線性迴歸剛好是一個很簡單的優化問題。線性迴歸的解可以用一個公式簡單的表達出來，這類解叫做解析解（analytical solution）。首先，我們將偏置b合併到引數w中。合併方法是在包含所有引數的矩陣中附加一列。我們預測的問題是最小化\(\Vert y-Xw\Vert^2\tag8\)。在這個損失平面上有一個臨界點，這個臨界點對應於整個區域的損失最小值。將損失關於\(\boldsymbol{w}\)的倒數設為0，得到解析解：\(w^*=(X^TX)^{-1}X^Ty\tag9\)像線性迴歸這樣的解析問題存在解析解，但並不是所有的問題都存在解析解。解析解可以很好的進行數學分析，但解析解的限制很嚴格，導致它無法應用在深度學習裡面。

小批量隨機梯度下降

即使在我們無法得到解析解的情況下，我們仍然可以有效的訓練模型。在許多工上，那些難以優化的模型效果要更好。因此，弄清楚如何訓練這些難以優化的模型是非常重要的。
本書中我們用到一種名梯度下降(gradient descent)的方法，這種方法幾乎可以優化所有深度學習模型。它通過不斷的在損失函式的遞減的方向更新引數來降低誤差。
梯度下降最簡單的用法是計算損失函式（資料集中所有樣本的損失均值）關於模型引數的導數（在這裡也可以稱為梯度）。但是在實際的執行中可能會非常慢：因為在每一次更新引數之前，我們必須便利整個資料集。因此我們通常會在每次需要計算更新的時候隨機抽取一批小樣本，這種變體叫做小樣本隨機梯度下降（minibatch stochastic gradient descent）。
在每次迭代中，我們首先隨機抽取一個小批量\(\beta\)，它是由固定數量的訓練樣本組成的。然後，我們計算小批量的平均損失關於模型引數的導數（也稱之為梯度）。最後，我們將梯度乘以一個預先確定正數\(\eta\)，並從當前引數的值中減掉。

• 根據權重\(\omega\)和偏置\(\beta\)生成num_example個人造資料。其中x是訓練集的資料，y是標籤，在標籤上加上一點標準差為0.01的噪音，

true_w = torch.tensor([2, -3.4])
true_b = 4.2
features, labels = synthetic_data(true_w, true_b, 1000)
def synthetic_data(w, b, num_examples):
    x = torch.normal(0, 1, (num_examples, len(w)))
    y = torch.matmul(x, w) + b
    y += torch.normal(0, 0.01, y.shape)
    return x, y.reshape((-1, 1))

生成每批大小為batch_size的資料進行小樣本訓練，獲取總的樣本數量，然後將其打亂。返回batch_size大小的特徵和標籤。

def data_iter(batch_size, features, labels):
    num_example = len(features)  # 特徵數量
    indices = list(range(num_example))
    random.shuffle(indices)  # 洗牌 特徵順序打亂。
    for i in range(0, num_example, batch_size):
        batch_indices = torch.tensor(indices[i:min(i + batch_size, num_example)])
        yield features[batch_indices], labels[batch_indices]

在開始下批量隨機梯度下賤優化我們的模型引數之前，我們需要一些引數，在下面的程式碼當中，我們從均值為0，標準差為0.01的正態分佈中隨機取樣隨機數來初始化權重，並將偏置初始化為0.

w = torch.normal(0, 0.01, size=(2, 1), requires_grad=True)
b = torch.zeros(1, requires_grad=True)

在初始引數之後，我們的任務是更新這些引數，直到這些引數足夠你和我們的資料，每次更新都需要計算損失函式關於模型引數的梯度，有了這個梯度，我們就可以向減小損失的方向更新每個引數。

• w 預設的均值為0， 標準差為0.01
• b 預設的初值為0
• x 有大量（n）的已知資料
• y 有大量（n）的已知資料

目標$$L(\boldsymbol{w},b)=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nl{(i)}(\boldsymbol{w},b)=\frac{1}{2n}\sum_{i=1}^n(wTx^{(i)+b}-y{(i)})^2\tag6$$通過改變\(\boldsymbol{w},b\)儘量降低\(L\).

定義模型

def linreg(x,w,b):
    return torch.matmul(x,w)+b

損失函式

def squared_loss(y_hat, y):
    return (y_hat - y.reshape(y_hat.shape)) ** 2 / 2

優化演算法

介紹小批量隨機梯度下降的工作示例。
在每一步中，使用從資料集中隨機抽取的一個小批量，然後根據引數計算損失的梯度。接下來，朝著減少損失的方向更新我們的引數。下面的函式實現小批量隨機梯度下降更新。該函式接受模型引數集合，學習速率和批量大小作為輸入。每一步的更新大小由學習速率\(lr\)決定。因為我們計算的損失是一個批量樣本的綜合，所以我們用批量大小來歸一化步長，這樣步長大小就不會取決於我們對批量大小的選擇。

def sgd(params,lr,batch_size):
    with torch.no_grad():
        for param in params:
            param -= lr* param.grad/batch_size
            param.grad.zero_()

訓練

在每次迭代中，我們讀取一個小批量訓練樣本，並通過我們的模型來獲取一組預測。計算完損失之後，我們開始反向傳播，儲存每個引數的梯度。最後我們呼叫sgd來更新模型引數。

lr = 0.03
num_epochs = 3
net = linreg
loss = squared_loss

for epoch in range(num_epochs):
    for x,y in data_iter(batch_size,features,labels):
        l = loss(net(x,w,b),y)
        l.sum().backward()
        sgd([w,b],lr,batch_size)
    with torch.no_grad():
        train_l = loss(net(features,w,b),labels)
        print(f'epoch {epoch+1},loss{float(train_l.mean()):f}')