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下面对线性回归模型、代价函数、梯度下降算法等基础概念进行向量化。在这里我们讨论的都是这些概念的最一般的形式,毕竟,数学家都喜欢这么做。
线性回归模型最一般的形式为:
h θ ( x ) = θ 0 x 0 + θ 1 x 1 + θ 2 x 2 + ⋯ + θ n x n h_\theta(x)=\theta_0x_0+\theta_1x_1+\theta_2x_2+\cdots+\theta_nx_n hθ(x)=θ0x0+θ1x1+θ2x2+⋯+θnxn
令
θ
=
[
θ
0
θ
1
⋮
θ
n
]
\theta=\left[
对于 x 1 , x 2 , ⋯ , x n x_1, x_2,\cdots,x_n x1,x2,⋯,xn 如何用向量表示,其实就我目前所知,有两种不同的设法,讨论如下:
第一种:
令
X
=
[
x
0
x
1
⋮
x
n
]
X=\left[
则 h θ ( x ) = θ T X = X T θ h_\theta(x)=\theta^TX=X^T\theta hθ(x)=θTX=XTθ
这种 X X X 的设法可以让 h θ ( x ) h_\theta(x) hθ(x) 的表达式简化一些。
第二种则更实用一些(做编程作业时):
令
X
=
[
x
0
x
1
(
1
)
⋯
x
n
(
1
)
x
0
x
1
(
2
)
⋯
x
n
(
2
)
⋮
⋮
⋮
x
0
x
1
(
m
)
⋯
x
n
(
m
)
]
X=\left[
对于这种设法,可以理解为以特征为列,以数据样本为行。
并且此时的 h θ ( x ) h_\theta(x) hθ(x) 需要改写一下:
h θ ( x ( i ) ) = θ 0 x 0 ( i ) + θ 1 x 1 ( i ) + θ 2 x 2 ( i ) + ⋯ + θ n x n ( i ) h_\theta(x^{(i)})=\theta_0x_0^{(i)}+\theta_1x_1^{(i)}+\theta_2x_2^{(i)}+\cdots+\theta_nx_n^{(i)} hθ(x(i))=θ0x0(i)+θ1x1(i)+θ2x2(i)+⋯+θnxn(i)
然后令
h
θ
(
x
)
=
[
h
θ
(
x
(
1
)
)
h
θ
(
x
(
2
)
)
⋮
h
θ
(
x
(
m
)
)
]
h_\theta(x)=\left[
于是有, h θ ( x ) = X θ h_\theta(x)=X\theta hθ(x)=Xθ
在接下来的向量化推导中我都将采用第二种设法。
代价函数的一般形式:
J ( θ ) = 1 2 m ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) 2 J \left( \theta\right) = \frac{1}{2m}\sum\limits_{i=1}^m \left( h_{\theta}(x^{(i)})-y^{(i)} \right)^{2} J(θ)=2m1i=1∑m(hθ(x(i))−y(i))2
其中
θ
=
[
θ
0
θ
1
⋮
θ
n
]
\theta=\left[
对代价函数进行向量化的结果为:
J ( θ ) = 1 2 m ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) 2 = 1 2 m ( X θ − y ) ⋅ ( X θ − y ) J \left( \theta \right)=\frac{1}{2m}\sum\limits_{i=1}^m \left( h_{\theta}(x^{(i)})-y^{(i)} \right)^{2}=\frac{1}{2m}(X\theta-y)\cdot(X\theta-y) J(θ)=2m1i=1∑m(hθ(x(i))−y(i))2=2m1(Xθ−y)⋅(Xθ−y)
注意这里 ( X θ − y ) (X\theta-y) (Xθ−y) 与 ( X θ − y ) (X\theta-y) (Xθ−y) 之间使用的是点积。
具体推导过程如下:
X
θ
−
y
=
h
θ
(
x
)
−
y
=
[
h
θ
(
x
(
1
)
)
h
θ
(
x
(
2
)
)
⋮
h
θ
(
x
(
m
)
)
]
−
[
y
(
1
)
y
(
2
)
⋮
y
(
m
)
]
=
[
h
θ
(
x
(
1
)
)
−
y
(
1
)
h
θ
(
x
(
2
)
)
−
y
(
2
)
⋮
h
θ
(
x
(
m
)
)
−
y
(
m
)
]
X\theta-y=h_\theta{(x)}-y=\left[
于是有,
(
X
θ
−
y
)
⋅
(
X
θ
−
y
)
=
[
h
θ
(
x
(
1
)
)
−
y
(
1
)
h
θ
(
x
(
2
)
)
−
y
(
2
)
⋮
h
θ
(
x
(
m
)
)
−
y
(
m
)
]
⋅
[
h
θ
(
x
(
1
)
)
−
y
(
1
)
h
θ
(
x
(
2
)
)
−
y
(
2
)
⋮
h
θ
(
x
(
m
)
)
−
y
(
m
)
]
(X\theta-y)\cdot(X\theta-y)= \left[
= ( h θ ( x ( 1 ) ) − y ( 1 ) ) 2 + ( h θ ( x ( 2 ) ) − y ( 2 ) ) 2 + ⋯ + ( h θ ( x ( m ) ) − y ( m ) ) 2 \\= \left( h_{\theta}(x{(1)})-y^{(1)} \right)^{2}+\left( h_{\theta}(x^{(2)})-y^{(2)} \right)^{2}+\cdots+\left( h_{\theta}(x^{(m)})-y^{(m)} \right)^{2} =(hθ(x(1))−y(1))2+(hθ(x(2))−y(2))2+⋯+(hθ(x(m))−y(m))2
= ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) 2 \\ \\=\sum\limits_{i=1}^m \left( h_{\theta}(x^{(i)})-y^{(i)} \right)^{2} =i=1∑m(hθ(x(i))−y(i))2
总结:
J ( θ ) = 1 2 m ( X θ − y ) ⋅ ( X θ − y ) J \left( \theta \right)=\frac{1}{2m}(X\theta-y)\cdot(X\theta-y) J(θ)=2m1(Xθ−y)⋅(Xθ−y)
…有没有隐约地感觉到数学的美妙之处?
梯度下降函数的一般形式为:
θ j : = θ j − α 1 m ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) x j ( i ) \theta_j:=\theta_j-\alpha\frac{1}{m}\sum^m_{i=1}(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)})x^{(i)}_j θj:=θj−αm1i=1∑m(hθ(x(i))−y(i))xj(i)其中, 0 ≤ j ≤ n 0\leq j \leq n 0≤j≤n
将上式进行向量化后的结果:
θ : = θ − α 1 m X T ( X θ − y ) \theta :=\theta-\alpha\frac{1}{m}X^T(X\theta-y) θ:=θ−αm1XT(Xθ−y)
其中
θ
=
[
θ
0
θ
1
⋮
θ
n
]
\theta=\left[
推导过程如下:
令
θ
:
=
θ
−
α
1
m
δ
\theta :=\theta-\alpha\frac{1}{m}\delta
θ:=θ−αm1δ,显然,
δ
=
[
∑
i
=
1
m
(
h
θ
(
x
(
i
)
)
−
y
(
i
)
)
x
0
(
i
)
∑
i
=
1
m
(
h
θ
(
x
(
i
)
)
−
y
(
i
)
)
x
1
(
i
)
⋮
∑
i
=
1
m
(
h
θ
(
x
(
i
)
)
−
y
(
i
)
)
x
n
(
i
)
]
\delta=\left[
则有
δ
=
[
∑
i
=
1
m
(
h
θ
(
x
(
i
)
)
−
y
(
i
)
)
x
0
(
i
)
∑
i
=
1
m
(
h
θ
(
x
(
i
)
)
−
y
(
i
)
)
x
1
(
i
)
⋮
∑
i
=
1
m
(
h
θ
(
x
(
i
)
)
−
y
(
i
)
)
x
n
(
i
)
]
\delta= \left[
=
[
(
h
θ
(
x
(
1
)
)
−
y
(
1
)
)
x
0
(
1
)
+
(
h
θ
(
x
(
2
)
)
−
y
(
2
)
)
x
0
(
2
)
+
⋯
+
(
h
θ
(
x
(
m
)
)
−
y
(
m
)
)
x
0
(
m
)
(
h
θ
(
x
(
1
)
)
−
y
(
1
)
)
x
1
(
1
)
+
(
h
θ
(
x
(
2
)
)
−
y
(
2
)
)
x
1
(
2
)
+
⋯
+
(
h
θ
(
x
(
m
)
)
−
y
(
m
)
)
x
1
(
m
)
⋮
(
h
θ
(
x
(
1
)
)
−
y
(
1
)
)
x
n
(
1
)
+
(
h
θ
(
x
(
2
)
)
−
y
(
2
)
)
x
n
(
2
)
+
⋯
+
(
h
θ
(
x
(
m
)
)
−
y
(
m
)
)
x
n
(
m
)
]
\\= \left[
=
[
x
0
(
1
)
x
0
(
2
)
⋯
x
0
(
m
)
x
1
(
1
)
x
1
(
2
)
⋯
x
1
(
m
)
⋮
⋮
⋮
x
n
(
1
)
x
n
(
2
)
⋯
x
n
(
m
)
]
[
h
θ
(
x
(
1
)
)
−
y
(
1
)
h
θ
(
x
(
2
)
)
−
y
(
2
)
⋮
h
θ
(
x
(
m
)
)
−
y
(
m
)
]
\\=\left[
很明显,
[
x
0
(
1
)
x
0
(
2
)
⋯
x
0
(
m
)
x
1
(
1
)
x
1
(
2
)
⋯
x
1
(
m
)
⋮
⋮
⋮
x
n
(
1
)
x
n
(
2
)
⋯
x
n
(
m
)
]
=
X
T
\left[
故 δ = X T ( X θ − y ) \delta=X^T(X\theta-y) δ=XT(Xθ−y)
总结:
θ : = θ − α 1 m X T ( X θ − y ) \theta :=\theta-\alpha\frac{1}{m}X^T(X\theta-y) θ:=θ−αm1XT(Xθ−y)
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