正则化（Regularization）

2019-01-29 本文已影响40人此间不留白

过拟合（overfitting）

在之前的学习中，我们已经了解了线性回归和逻辑回归的相关问题，并且学习了两种算法的假设函数和梯度下降的基本算法。但是，在算法的实际应用中，并不是特征值越多，假设函数与训练数据集拟合的越完美越好，或者说其代价函数为0（ $J(\theta) = \frac{1}{2m}\sum_{i=1}^{m}(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)})^2\approx0$ ），出现这种情况会使得假设函数预测新的数据变得困难，称之为过拟合（Overfitting），过拟合如下图所示：

为了解决过拟合问题，有以下解决方案:

减少特征

手动选择需要保留的特征
采取模型选择算法

正则化

保留所有参数，但是减少每一个参数 $\theta_j$ 的值
当我们有很多特征而假设函数依然能够很好的工作，确保每一个特征对预测 $y$ 值都有所贡献。

线性回归的正则化

正则化的思想就是减少高次项 $\theta$ 的值，使得曲线平滑，因此，在线性回归算法中的代价函数可以如下表示：
$J(\theta) = \frac{1}{2m}[\sum_{i=1}^{m}(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)})^2+\lambda\sum_{j=1}^{n}\theta_j^2]$

以上公式中， $\lambda$ 表示正则化参数，在算法实际运行过程中，要选择合适的 $\lambda$ 值，不能使其过大，否则可能会导致过拟合不能被消除，或者梯度下降算法不收敛。

梯度下降算法中的正则化
梯度下降算法中应用正则化方法如下所示
$Repeat \ \ \{$
$\theta_0 := \theta_0- \alpha\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)})^2x_0^{(i)}$

$\ \ \ \theta_j:=\theta_j(1-\alpha\frac{\lambda}{m})-\alpha\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)})^2x_j^{(i)}$

$\}$

正规方程法的正则化
之前的学习中，已经学习了采用正规方程法求解 $\theta$ 参数的方法如下所示：

$\ \ \ \theta =(X^TX)^{-1}X^Ty$

正规方程法的正则化算法公式如下：

$\ \ \ \theta =(X^TX+\lambda L)^{-1}X^Ty$

其中 $L$ 表示 $(n+1)$ x $(n+1)$ 的对角矩阵，其主对角线第一个元素为0，其余全为1.

逻辑回归算法的正则化

与线性回归算法类似，逻辑回归算法的正则化也是通过减少高次项 $\theta$ 的值，使得决策边界变得平滑，以避免出现过拟合问题，其代价函数正则化用如下公式表示：

$J(\theta) = -[\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}y^{(i)}log\ h_\theta(x^{(i)})+(1-y^{(i)})log\ (1-h_\theta(x^{(i)}))] + \frac{\lambda}{2m}\sum_{j=1}^{n}\theta_j^2$

梯度下降算法中的正则化表示如下所示：

$Repeat \ \ \{$
$\theta_0 := \theta_0- \alpha\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)})^2x_0^{(i)}$

$\ \ \ \theta_j:=\theta_j(1-\alpha\frac{\lambda}{m})-\alpha\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)})^2x_j^{(i)}$

$\}$

需要注意的是：与线性回归不同的是，此时

$h_\theta(x) = \frac{1}{1+e^{-\theta^Tx}}$

正则化（Regularization）

过拟合（overfitting）

线性回归的正则化

逻辑回归算法的正则化

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