第二章 单变量线性回归

该系列文章为，观看“吴恩达机器学习”系列视频的学习笔记。虽然每个视频都很简单，但不得不说每一句都非常的简洁扼要，浅显易懂。非常适合我这样的小白入门。

本章含盖

• 2.1 模型表示
• 2.2 代价函数
• 2.3 代价函数（一）
• 2.4 代价函数（二）
• 2.5 梯度下降
• 2.6 梯度下降的直观理解
• 2.7 线性回归的梯度下降

2.1 模型表示

机器学习算法是怎样工作的：

a）我们向学习算法提供训练集
b）学习算法的任务是输出一个函数（通常用小写h表示），h代表假设函数
c）假设函数的作用是，把房子的大小作为输入变量（x），而它试着输出相应房子的预测y值
h：是一个引导从x得到y的函数

当我们设计一个机器学习算法时，第一个需要做的是：决定怎么表达这个假设函数h

一种可能的表达方式为:

，因为只含有一个特征/输入变量，因此这样的问题叫作单变量线性回归问题。
这个模型叫做“线性回归”，这个例子是一元线性回归。这个模型的另一个名字“单变量线性回归”

2.2 代价函数

那么我们要如何选择θ_1和θ_2这两个参数。

我们要选择能使h(x)，也就是输入x时我们预测的值最接近该样本对应的y值的参数θ_1和θ_2。
所以，在我们的训练集中我们会得到一定数量的样本。我们知道x表示卖出哪所房子，并且知道这所房子的实际价格。
所以，我们要尽量选择参数值，使得在训练集中，给出训练集中的x值，我们能合理准确的预测y值。

标准的定义：在线性回归中，我们要解决的是一个最小化问题，所以我们要写出关于θ_1和θ_2的最小化。而且，我们希望这个式子极小，我想要h(x)和y之间的差异要小。我要做的是：尽量减少假设的输出与房子真实价格之间的差的平方。

线性回归的代价函数：

m ：训练样本数量
(𝑥(𝑖),𝑦(𝑖)) 代表第𝑖个训练样本

我们要关于θ_1和θ_2对代价函数求最小值。
“代价函数”也被称作“平方误差函数”，有时也被称作“平方误差代价函数”。
事实上，我们之所以要求出“误差的平方和”，是因为“误差平方代价函数”对于大多数的问题，特别是回归问题，都是一个合理的选择。还有其他的代价函数也能很好地发挥作用。但是“平方误差代价函数”可能是解决回归问题最常用的手段了。

2.3 代价函数（一）

• 当 θ_1 = 1 时：
  

  代价函数是关于Θ_1的函数。因此，我们在绘制‘代价函数’时，横轴是θ_1，纵轴是J(θ_1).
  J(θ_1) 可能是负数、0、正数。

• 当 θ_1 = 0.5 时：
• 当 θ_1 = 0 时：
• 代价函数J(θ_1) ：

2.4 代价函数（二）

本节，我们用h(x) = θ_0 +θ_1*x 来表示‘假设函数’，那么‘代价函数’J(θ_0, θ_1)就是关于 θ_0、θ_1 的函数。因此，坐标图已经不是简单的二维坐标了，而是三维坐标。如，x轴表示’θ_0’、y轴表示’θ_1’、z轴表示‘J(θ_0, θ_1)’。如下：

👆’代价函数’图，依旧像个碗状。

等高线图（右图）

等高线图的最小值为这些同心椭圆的中心。（即，‘代价函数’的最小值）

• 举例：
  

  ① θ_0 = 800 ；θ_1 = -0.15

② Θ_0 = 360 ；Θ_1 = 0

2.5 梯度下降

梯度下降法可以将代价函数最小化。梯度下降是很常用的算法，它不仅被用在线性回归上，还被广泛应用于机器学习的众多领域。
用梯度下降法最小化其他函数，而不仅仅是最小化线性回归的代价函数J.
用梯度下降法是可以最小化任意函数的

问题概述：

初始状态：通常选择是将θ_0设为0，θ_1也设置为0.

梯度下降有一个有趣的特点：不一样的起始点（即便只偏差一点），你可能就会得到完全不同的局部最优解。

背后的数学原理：

注意：👆关于梯度下降算法，是同时更新θ_0和θ_1的。
错误的更新方式中，会使用已经更新的Θ_0去计算新的Θ_1。。。

『:=』赋值
『=』真假判定 （truth assertion）。如，a = b，就是断言a的值等于b的值
『α』学习率的数字（永远是一个正数，即，> 0）。α 用来控制，梯度下降时，我们迈出多大的步子。如果，α 的值很大，梯度下降就很迅速
『

』导数项。

2.6 梯度下降的直观理解

α为学习速率，它控制我们以多大的幅度更新这个参数Θ_J.

• 以一个参数的代价函数J(Θ_1)，来讲解’α’和’导数项’，以及为什么将它们放在一起时，整个更新过程是有意义的。

  这是我们的函数J(θ_1)，θ_1 ∈ R。

梯度函数要做的就是不断更新 一个点的导数，基本上可以说是，取这一点的切线斜率。

斜率 = 高度 / 水平长度
👆这个红色直线有一个正斜率，或者说正导数。
所以，new_θ1 < old_θ1。相当于我们将θ1向左移，使θ1变小了。

另一个例子：
new_θ1 > old_θ1

• 学习速率 α 的作用
  

  梯度下降法的更新原则： α 太大可能会导致无法收敛，甚至发散。
• 问题：如果 θ1 已经处于一个局部最优点了，你认为下一步梯度下降会怎么样？

  局部最优点的导数等于0，因为导数是切线的斜率。那么，θ1 := θ1 - α * 0 ，即，new_θ1 == old_θ1.
  因此，如果你已经在局部最优点，θ1将不再改变。

  
  👆这就是梯度下降法的运行方式。（实际上没有必要在额外减小α）

这就是梯度下降函数，你可以用它来尝试最小化任意的代价函数J，而不只是线性回归中的代价函数J。

线性回归算法 = 平方代价函数 结合 梯度下降法

线性回归的梯度下降

我们要做的就是，将’梯度下降法’应用于’平方差代价函数’，以最小化’平方差代价函数’

👆其中θ0的求导，只是一个对应θ0的偏导数。

因为‘平方差代价函数’总是一个弓状函数（如，下图），术语叫做‘凸函数’（不太正规的理解，‘凸函数’就是一个弓形函数）。因此，这个函数没有局部最优解，它只有一个全局最优解（这样它就不存在，当前起始点不一样时，导致可能产生不同的局部最优解的情况）。

• “Batch 梯度下降法”
  ‘Batch梯度下降法’意味着每一步梯度下降，我们都遍历了整个训练集的样本。所以在梯度下降中，当计算偏导数时，我们计算总和。因此，在每个单独的梯度下降，我们计算m个训练样本的总和。因此，‘Batch梯度下降法’指的是，看整个训练集时。

其他的算法（即，其他的梯度算法），没有览概整个训练集，它每次只关注了小子集

• “正规方程组方法”：
  求解函数J的最小值，不需要使用像梯度下降的迭代算法。

但‘梯度下降’适用于更大的数据集。