[人工智能]ML（三）

多项式回归

1. 多项式模型定义

线性回归适用于数据呈线性分布，如果数据样本呈非线性分布，那么之前提到的线性模型就不再适用了。即采用多项式回归为好。

2. 多项式模型定义

与线性模型相比，多项式模型引入了高次项，自变量的指数大于1，例如一元二次方程：
$$y=w_0+w_{1}x+w_2{x}^2$$
一元三次方程：
$$y=w_0+w_{1}x+w_2{x}^2+w_3{x}^3$$
推广到一元n次方程：
$$y=w_0+w_{1}x+w_2{x}^2+w_3{x}^3+...+w_n{x}^n$$
上述表达式可以简化为：
$$y=\sum _{i=1}^N{w}_i{x}^i$$

3. 与线性回归的关系

多项式回归可以理解为线性回归的扩展，在线性回归模型中添加了新的特征值.例如，要预测一栋房屋的价格，有$x_1,x_2,x_3$三个特征值，分别表示房子长、宽、高，则房屋价格可表示为以下线性模型：
$$y=w_1{x}_1+w_2{x}_2+w_3{x}_3+b$$
对于房屋价格，也可以用房屋的体积，而不直接使用$x_1,x_2,x_3$三个特征：
$$y=w_0+w_{1}x+w_2{x}^2+w_3{x}^3$$
相当于创造了新的特征$x,x$ = 长 * 宽 * 高. 以上两个模型可以解释为：

• 房屋价格是关于长、宽、高三个特征的线性模型
• 房屋价格是关于体积的多项式模型

因此，可以将一元n次多项式变换成n元一次线性模型.

4. 多项式回归实现

对于一元n次多项式，同样可以利用梯度下降对损失值最小化的方法，寻找最优的模型参数$w_0,w_1,w_2,...,w_n$.可以将一元n次多项式，变换成n元一次多项式

5. 过拟合与欠拟合

1）什么是欠拟合、过拟合

一看图就知道哪个是欠拟合和过拟合了，这两种其实都不是好的模型. 前者没有学习到数据分布规律，模型拟合程度不够，预测准确度过低，这种现象称为“欠拟合”；后者过于拟合更多样本，以致模型泛化能力（新样本的适应性）变差，这种现象称为“过拟合”. **欠拟合模型一般表现为训练集、测试集下准确度都比较低；过拟合模型一般表现为训练集下准确度较高、测试集下准确度较低. **一个好的模型，不论是对于训练数据还是测试数据，都有接近的预测精度，而且精度不能太低.

2）如何处理欠拟合、过拟合

• 欠拟合：提高模型复杂度，如增加特征、增加模型最高次幂等等；
• 过拟合：降低模型复杂度，如减少特征、降低模型最高次幂等等.

线性回归模型变种

1. 正则化

1）什么是正则化

过拟合还有一个常见的原因，就是模型参数值太大，所以可以通过抑制参数的方式来解决过拟合问题.如下图所示，右图产生了一定程度过拟合，可以通过弱化高次项的系数（但不删除）来降低过拟合.

例如，可以通过在${\theta }_3,{\theta }_4$的系数上添加一定的系数，来压制这两个高次项的系数，这种方法称为正则化. 但在实际问题中，可能有更多的系数，我们并不知道应该压制哪些系数，所以，可以通过收缩所有系数来避免过拟合.

2）正则化的定义

正则化是指，在目标函数后面添加一个范数，来防止过拟合的手段，这个范数定义为：
$$||x|{|}_p=(\sum _{i=1}^N|x{|}^p{)}^{\frac{1}{p}}$$
当p=1时，称为L1范数（即所有系数绝对值之和）：
$$||x|{|}_1=(\sum _{i=1}^N|x|)$$
当p=2是，称为L2范数（即所有系数平方之和再开方）：
$$||x|{|}_2=(\sum _{i=1}^N|x{|}^2{)}^{\frac{1}{2}}$$
通过对目标函数添加正则项，整体上压缩了参数的大小，从而防止过拟合.

2. Lasso回归与岭回归

Lasso 回归和岭回归（Ridge Regression）都是在标准线性回归的基础上修改了损失函数的回归算法. Lasso回归全称为 Least absolute shrinkage and selection operator，又译“最小绝对值收敛和选择算子”、“套索算法”，其损失函数如下所示：
$$E=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^N(y_i?y_i^{\prime }{)}^2+\lambda ||w|{|}_1$$
岭回归损失函数为： $$\lambda$$ 就是正则强度 影响的是$$||w||$$的影响强度
$$E=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^N(y_i?y_i^{\prime }{)}^2+\lambda ||w|{|}_2$$
从逻辑上说，Lasso回归和岭回归都可以理解为通过调整损失函数，减小函数的系数，从而避免过于拟合于样本，降低偏差较大的样本的权重和对模型的影响程度.

模型的加载与保存

import pickle
# 保存模型
pickle.dump(模型对象, 文件对象)   
# 加载模型
model_obj = pickle.load(文件对象)

# 模型保存示例
import numpy as np
import sklearn.linear_model as lm # 线性模型
import pickle

x = np.array([[0.5], [0.6], [0.8], [1.1], [1.4]])  # 输入集
y = np.array([5.0, 5.5, 6.0, 6.8, 7.0])  # 输出集

# 创建线性回归器
model = lm.LinearRegression()
# 用已知输入、输出数据集训练回归器
model.fit(x, y)

print("训练完成.")

# 保存训练后的模型
with open('linear_model.pkl', 'wb') as f:
    pickle.dump(model, f)
    print("保存模型完成.")
    ```
   


# 模型加载示例
import numpy as np
import sklearn.linear_model as lm  # 线性模型
import sklearn.metrics as sm  # 模型性能评价模块
import matplotlib.pyplot as mp
import pickle

x = np.array([[0.5], [0.6], [0.8], [1.1], [1.4]])  # 输入集
y = np.array([5.0, 5.5, 6.0, 6.8, 7.0])  # 输出集

# 加载模型
with open('linear_model.pkl', 'rb') as f:
    model = pickle.load(f)
    print("加载模型完成.")

# 根据加载的模型预测输出
pred_y = model.predict(x)

# 可视化回归曲线
mp.figure('Linear Regression', facecolor='lightgray')
mp.title('Linear Regression', fontsize=20)
mp.xlabel('x', fontsize=14)
mp.ylabel('y', fontsize=14)
mp.tick_params(labelsize=10)
mp.grid(linestyle=':')
mp.scatter(x, y, c='blue', alpha=0.8, s=60, label='Sample')

mp.plot(x, pred_y, c='orangered', label='Regression')

mp.legend()
mp.show()