局部加权回归LOWESS
1. LOWESS
用kNN做平均回归:
\[
\hat{f(x)} = Ave(y_i | x_i \in N_k(x))
\]
其中,\(N_k(x)\)为距离点x最近k个点组成的邻域集合(neighborhood set)。这种邻域平均回归存在很多缺点:
- 没有考虑到不同距离的邻近点应有不同的权重;
- 拟合的曲线不连续(discontinuous),如下图。

因此引入kernel加权平滑:
\[
\hat{f(x_0)} = \frac{ \sum_{i=1}^{N} K_{\lambda}(x_0, x_i)y_i }{\sum_{i=1}^{N} K_{\lambda}(x_0, x_i)}
\]
比如,Epanechnikov 二次kernel:
\[
K_{\lambda}(x_0, x_i) = D(\frac{|x_0 - x_i|}{\lambda})
\]
\[
D(t) = \left \{
{
\matrix {
{\frac{3}{4} (1-t^2) } & {for |t| < 1} \cr
{ 0} & {otherwise} \cr
}
}
\right.
\]
其中,\(\lambda\)为kernel的参数,称之为window width。对于kNN,只考虑最近的k个点影响;基于此,
\[
\lambda = |x_0 - x_{[k]}|
\]
其中,\(x_{[k]}\)为距离\(x_0\)第k近的点。如上图,经kernel加权平滑后,回归拟合的曲线为连续的了。但是,这种kernel回归同样存在着边界(boundary)问题,如下图:

对于x序列的开始与结束区段的点,其左右邻域是不对称的,导致了平滑后的值偏大或偏小。因此,需要对权值做再修正,假定对\(x_0\)的估计值:_
\[
\hat{f(x_0)} = \sum_{j=0}^d \beta_j x_0^{j}
\]
定义目标函数:
\[
\min_{\beta} \sum_{i=1}^N K_{\lambda}(x_0, x_i) [y_i - \sum_{j=0}^d \beta_j x_i^j]^2
\]
令
\[
B = \begin{pmatrix}
1 & x_1 & \cdots & x_1^d \\
1 & x_2 & \cdots & x_2^d \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
1 & x_N & \cdots & x_N^d \\
\end{pmatrix}
\]
\[
W_{x_0} = \begin{pmatrix}
K_{\lambda}(x_0, x_1) & 0 & \cdots & 0 \\
0 & K_{\lambda}(x_0, x_2) & \cdots & 0 \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
0 & 0 & \cdots & K_{\lambda}(x_0, x_N) \\
\end{pmatrix}
\]
\[
\Delta = \begin{pmatrix}
\beta_0, \beta_1, \cdots, \beta_N
\end{pmatrix}^T
\]
\[
Y = \begin{pmatrix}
y_1, y_2, \cdots, y_N
\end{pmatrix}^T
\]
那么,目标函数可改写为
\[
\min_{\Delta} (Y-B\Delta)^T W_{x_0} (Y-B\Delta)
\]
求偏导,可得到
\[
\Delta = (B^T W_{x_0} B)^{-1} (B^T W_{x_0} Y)
\]
那么,估计值
\[
\begin{aligned}
\hat{f(x_0)} &= e(x_0) (B^T W_{x_0} B)^{-1} (B^T W_{x_0} Y) \\
& = \sum_i w_i (x_0) y_i
\end{aligned}
\]
其中,\(e(x_0) = \begin{pmatrix} 1, x_0, \cdots, x_0^d \end{pmatrix}\)。上述回归方法称之为LOWESS (LOcal Weighted regrESSion)。
2. Robust LOWESS
Robust LOWESS是Cleveland [1] 在LOWESS基础上提出来的robust回归方法,能避免outlier对回归的影响。在计算完估计值后,计算残差:
\[
e_i = y_i - \hat{f(x_i)}
\]
根据残差计算robustnest weight:
\[
\delta_i = B(e_i/6s)
\]
其中,\(s\)为残差绝对值序列\(|e_i|\)d的中位值(median),\(B\)函数为bisquare函数:
\[
B(u) = \left \{
{
\matrix {
{(1-u^2)^2 } & {for \quad 0 \le u < 1} \cr
{ 0 } & {for \quad u \ge 1} \cr
}
}
\right.
\]
然后,用robustne weight乘以kernel weight作为\(W_{x_0}\)的新weight。如此,便剔除了残差较大的异常点对于回归的影响。这里有Python版实现。
3. 参考资料
[1] Trevor Hastie, Robert Tibshirani, Jerome H. Friedman. The elements of statistical learning. Springer, Berlin: Springer series in statistics, 2009.
[2] Cleveland, William S. "Robust locally weighted regression and smoothing scatterplots." Journal of the American statistical association 74.368 (1979): 829-836.
[3] peterf, The Local Polynomial Regression Estimator.
局部加权回归LOWESS的更多相关文章
- Stanford大学机器学习公开课(三):局部加权回归、最小二乘的概率解释、逻辑回归、感知器算法
(一)局部加权回归 通常情况下的线性拟合不能很好地预测所有的值,因为它容易导致欠拟合(under fitting).如下图的左图.而多项式拟合能拟合所有数据,但是在预测新样本的时候又会变得很糟糕,因为 ...
- 第三集 欠拟合与过拟合的概念、局部加权回归、logistic回归、感知器算法
课程大纲 欠拟合的概念(非正式):数据中某些非常明显的模式没有成功的被拟合出来.如图所示,更适合这组数据的应该是而不是一条直线. 过拟合的概念(非正式):算法拟合出的结果仅仅反映了所给的特定数据的特质 ...
- [置顶] 局部加权回归、最小二乘的概率解释、逻辑斯蒂回归、感知器算法——斯坦福ML公开课笔记3
转载请注明:http://blog.csdn.net/xinzhangyanxiang/article/details/9113681 最近在看Ng的机器学习公开课,Ng的讲法循循善诱,感觉提高了不少 ...
- Robust Locally Weighted Regression 鲁棒局部加权回归 -R实现
鲁棒局部加权回归 [转载时请注明来源]:http://www.cnblogs.com/runner-ljt/ Ljt 作为一个初学者,水平有限,欢迎交流指正. 算法参考文献: (1) Robust L ...
- 线性回归 Linear regression(4) 局部加权回归
这篇文章将介绍过拟合和欠拟合的概念,并且介绍局部加权回归算法. 过拟合和欠拟合 之前在线性回归中,我们总是将单独的x作为我们的特征,但其实我们可以考虑将,甚至x的更高次作为我们的特征,那么我们通过线性 ...
- 局部加权回归(LWR) Matlab模板
将百度文库上一份局部加权回归的代码,将其改为模板以便复用. q2x,q2y为数据集,是n*1的矩阵: r是波长参数,就是对于距离的惩罚力度: q_x是要拟合的数据横坐标,是1*n的矩阵: 得到的q_y ...
- 局部加权回归、欠拟合、过拟合(Locally Weighted Linear Regression、Underfitting、Overfitting)
欠拟合.过拟合 如下图中三个拟合模型.第一个是一个线性模型,对训练数据拟合不够好,损失函数取值较大.如图中第二个模型,如果我们在线性模型上加一个新特征项,拟合结果就会好一些.图中第三个是一个包含5阶多 ...
- 局部加权回归、欠拟合、过拟合 - Andrew Ng机器学习公开课笔记1.3
本文主要解说局部加权(线性)回归.在解说局部加权线性回归之前,先解说两个概念:欠拟合.过拟合.由此引出局部加权线性回归算法. 欠拟合.过拟合 例如以下图中三个拟合模型.第一个是一个线性模型.对训练数据 ...
- Locally weighted linear regression(局部加权线性回归)
(整理自AndrewNG的课件,转载请注明.整理者:华科小涛@http://www.cnblogs.com/hust-ghtao/) 前面几篇博客主要介绍了线性回归的学习算法,那么它有什么不足的地方么 ...
随机推荐
- HDFS Java API的使用举例
HDFS是Hadoop应用程序使用的主要分布式存储.HDFS集群主要由管理文件系统元数据的NameNode和存储实际数据的DataNodes组成,HDFS架构图描述了NameNode,DataNode ...
- Tomcat7以上403 Access Denied错误
版本:Tomcat 9 问题:新安装的tomcat,访问tomcat的Server Status.Manager App.Host Manager三个页面均显示403,conf/tomcat-user ...
- Java泛型概念
1. 概述在引入范型之前,Java类型分为原始类型.复杂类型,其中复杂类型分为数组和类.引入范型后,一个复杂类型就可以在细分成更多的类型.例如原先的类型List,现在在细分成List<Objec ...
- jsp登陆页面验证码在火狐浏览器不能刷新问题处理方案
jsp登陆页面在火狐浏览器验证码不能刷新问题处理方案: <img src="YzmServlet" onClick="this.src='YzmServlet?ti ...
- VB6之断点续传
闲来无事,研究了下HTTP的断点续传,用VB6写了小Demo. 关于HTTP-Range细节可参考: http://www.w3.org/Protocols/rfc2616/rfc2616.html ...
- 关于Win7 内存变小处理方法
windows + R 输入msconfig 点击引导 点击高级选项 点击最大内存打钩,就好了,你重启,你的内存将恢复成原来的.
- ubuntu输入某个目录测试该目录里.C文件里代码行数shell脚本
#!/bin/bash echo "★☆ ★☆ ★☆ ★☆ ★☆★☆★☆ ★☆ ★☆ ★☆ ★☆★" echo "★☆ 统计代码行数 ☆★&qu ...
- Mybatis mapper文件中的转义方法
在mybatis中的sql文件中对于大于等于或小于等于是不能直接写?=或者<=的,需要进行转义,目前有两种方式: 1.通过符号转义: 转义字符 < < 小于号 ...
- Spring MVC 文件下载时候 发现IE不支持
@RequestMapping("download") public ResponseEntity<byte[]> download(Long fileKey) thr ...
- tar+pigz+ssh实现大数据压缩传输
磁盘读取---->打包---->压缩------>传输---->解压缩-->拆包---->落盘 |->tar |->gzip |-&g ...