#对coursera上Andrew Ng老师开的机器学习课程的笔记和心得;

#注:此笔记是我自己认为本节课里比较重要、难理解或容易忘记的内容并做了些补充,并非是课堂详细笔记和要点;

#标记为<补充>的是我自己加的内容而非课堂内容,参考文献列于文末。博主能力有限,若有错误,恳请指正;

#---------------------------------------------------------------------------------#

多元线性回归的模型:

#---------------------------------------------------------------------------------#

梯度下降法在多元线性回归中的应用:

代价函数:

梯度下降:

代入J(theta)得到:

在多元线性回归中用梯度下降法要注意feature scaling!

如果不同变量之间的大小不再一个数量级,作feature scaling能大大减少寻找最优解的时间;

例如:

  • x1 = size (0 - 2000 feet)
  • x2 = number of bedrooms (1-5)
  • x1,x2之间差别很大,如果不做feature scaling,对θ1和θ2作等高线图:

  ,将会花很长时间去找最优解;

NG给的建议:最大变量和最小变量均值差3倍以内为佳;

mean normalization:将xi替换为(xi - mean)/max;

#---------------------------------------------------------------------------------#

学习速率α大小的选择:

1, 对足够小的α,J(theta)会单调减少,

2, 如果α过小, 梯度下降会很慢;

3, 如果α过大, J(theta)可能不会单调减少,甚至可能不收敛,

;

如何选择α,如下:

..., 0.001, 0.01, 0.1, 1, ..., 或者 ..., 0.001, 0.003, 0.01, 0.03, 0.1, 0.3, 1, ....

#---------------------------------------------------------------------------------#

normal equation:假设我们有m个样本。特征向量的维度为n。因此,可知样本为{(x(1),y(1)), (x(2),y(2)),... ..., (x(m),y(m))},其中对于每一个样本中的x(i),都有x(i)={x1(i), xn(i),... ...,xn(i)}。令 H(θ)=θ+ θ1x1 +θ2x+... + θnxn,则有

,其中:

表示第i个training example;
表示第i个training example里的第j个feature的值;
m为#training example;
n为#feature;

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Normal Equation VS Gradient Descent

Normal Equation 跟 Gradient Descent(梯度下降)一样,可以用来求权重向量θ。但它与Gradient Descent相比,既有优势也有劣势。

优势:

Normal Equation可以不管x特征的scale。比如,有特征向量X={x1, x2}, 其中x1的range为1~2000,而x2的range为1~4,它们的范围相差了500倍。如果使用Gradient Descent方法的话,会导致椭圆变得很窄很长,而出现梯度下降困难,甚至无法下降梯度(因为导数乘上步长后可能会冲出椭圆的外面)。但是,如果用Normal Equation方法的话,就不用担心这个问题了。因为它是纯粹的矩阵算法。

劣势:

相比于Gradient Descent,Normal Equation需要大量的矩阵运算,特别是求矩阵的逆。在矩阵很大的情况下,会大大增加计算复杂性以及对计算机内存容量的要求。Andrew Ng建议矩阵维数<10,000时用normal equation,大于时改用梯度下降法;

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什么情况下会出现XTX non-invertible该如何应对?

(1)当特征向量的维度过多时(如,m <= n 时)

解决方法:① 使用regularization的方式

     or ②删除一些特征维度

(2)有冗余特征(也称为linearly dependent feature)

例如, x1= size in feet2

    x2 = size in m2

    feet和m的换算为 1m≈3.28feet所以,x1 ≈ 3.28* x2, 因此x1和x2是线性相关的(也可以说x1和x2之间有一个是冗余的)

解决方法:找出冗余的特征维度,删除之。

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normal equation 的推导:

这种方法不需要经过任何循环,也不需要假设初始值。虽然推导本身有点复杂,但是结果一步到位,简单又效率。

准备工作:

定义function f(A):Mapping from M-by-n matrices to the real numbers。定义f(A)的微分为:

定义trace operator。对于一个n by n的matrix A, the trace of A is:

Trace有如下特性:如果a是一个real number, 那么tr a = a;


矩阵微分有如下特性:

开始推导:

首先,设计一个m行n列的(实际上是n+1列,应为我们假设x0 =1 )矩阵X,他的每一行都是一个training sample,每列都是一个特征。

设计y成为一个m列的目标值(输出值)向量,也就是房子的价格在我们例子中。

因为:

所以:

因为对于一个向量z来说:
所以:
最后我们用之前提到的矩阵微分特性的第二和第三条:

所以:

因为我们要让J最小,所以J的微分必须等于0。

所以:

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参考:

coursera: standford machine learning, by Andrew Ng;

coursera: 台湾大学機器學習基石,by 林軒田;

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