本章涉及到的知识点清单:
1、函数的近似表示—高次多项式
2、误差函数—最小二乘法
3、引出案例函数曲线
4、目标函数
5、优化目标函数
6、优化目标函数—梯度下降法
7、优化目标函数—求解线性方程组
8、python编程实现拟合曲线函数
9、结果分析
一、函数的近似表示—高次多项式
为了研究一些复杂的函数,我们希望对函数自变量进行有限的加、减、乘法三种算数运算,便可以求出原函数值,因此我们通常使用高次多项式来近似表示函数
高次多项式近似表示f(x)
可以看到,我们可以用n阶多项式的系数线性组合来近似表示f(x)
特别说明,由泰勒展开式可知,当pn(x)的各阶导数和f(x)的各阶导数都相等,则f(x)和pn(x)的误差只是(x-x0)^n的高阶无穷小
即
泰勒公式
二、误差函数—最小二乘法
我们用f(x)的真实函数值减去多项式函数的结果的平方,来表示f(x)和多项式函数的误差关系,即
最小二乘法表示误差
我们令x0=0,则最小二乘法表示的误差为
最小二乘法表示误差
三、引出案例函数曲线
有了上述数学知识,下面我们用一个案例来介绍最小二乘法拟合非线性函数的算法步骤
案例:求一个多项式来拟合下列函数的函数值
案例函数
其中我们加入了噪点数据noise,使得函数在定义域内随机的震荡
我们画出f(x)在[-1, 1]之间的图像,即
案例函数图像案例问题即为:已知上述N个数据点,求其函数f(x)的表达式?
显然,f(x)也就是机器学习要学习的目标
四、目标函数
下面我们开始推导机器学习的过程机器学习的目标为:
(1)学习一个f(x)多项式,可以拟合真实数据的变化趋势
(2)f(x)的目标:使每一个真实数值到f(x)的拟合数值的距离之和最小
翻译为数学语言,即
学习到的f(x)
目标函数
五、优化目标函数
为了使目标函数最优,我们对每个系数求其偏导数为0,即
优化目标函数
至此,我们需要根据上述k的等式,求出所有的系数ak,有两种方法可以求解(1)梯度下降法
(2)求解线性方程
六、优化目标函数—梯度下降法
采用梯度下降法,可以避免我们用数学方法直接一步来求解上述k个方程的最优解,而是采用迭代逼近最优解的思路,其具体步骤为:(1)初始化k个系数值,开始迭代
(2)每次迭代,分别求出各个系数ak对应的梯度值
(3)用梯度值和学习率来更新每一个系数ak
(4)保证每次更新完所有系数,对应的损失函数值都在减少(说明梯度一直在下降)
翻译为数学语言为:
计算ak对应的梯度值
计算ak的梯度值
更新ak
更新ak
七、优化目标函数—求解线性方程组
求解线性方程组让我们直接一步求出偏导数最优解,其具体步骤为:(1)将最优化偏导数的方程组写为矩阵乘法形式:XA=Y
(2)利用数学消元算法来求解XA=Y
我们对k个偏导数=0的等式进行化简处理,即
k个偏导数等式
下面我们将其写为矩阵相乘的形式,将所有只含有x的系数写为第一个矩阵X,即
含有x的系数矩阵
将只含有待求解的多项式系数ak写为第二个矩阵A,即
含有a的系数矩阵
最后将含有y的系数写为第三个矩阵Y,即
含有y的系数矩阵
此时,我们就可以用矩阵的乘法来表示最初的k个偏导数为0的等式,即
k个偏导数等式的矩阵形式
注意:其中X是k*k的矩阵,A是k*1的矩阵,Y是k*1的矩阵,符合矩阵的乘法规则从矩阵表达式可以看出,X和Y矩阵是已知的,A矩阵只包含待求解的f(x)的所有多项式系数,则问题即转化为线性方程组:XA=Y
求解线性方程组,大概有如下算法(1)高斯消元法(全主元、列主消元)
(2)LU三角分解法
(3)雅克比迭代法
(4)逐次超松弛(SOR)迭代法
(5)高斯-赛德尔迭代法
这里我们采用高斯消元法来求解A,具体算法步骤较为复杂,我们在单独的章节介绍高斯消元算法
八、python编程实现拟合曲线函数
生成带有噪点的待拟合的数据集合
生成带有噪点的待拟合的数据集合
计算最小二乘法当前的误差
计算最小二乘法当前的误差
迭代解法:最小二乘法+梯度下降法
迭代解法:最小二乘法+梯度下降法
数学解法:最小二乘法+求解线性方程组
数学解法:最小二乘法+求解线性方程组
九、结果分析
我们来拟合N=10次幂的多项式,分别用梯度下降法和求解线性方程组的算法来比较拟合结果
(1)使用梯度下降法来优化目标函数,其拟合结果为:
梯度下降法拟合结果
其误差变化为
梯度下降法优化的误差
(2)使用求解线性方程组来优化目标函数,其拟合结果为:
求解线性方程组拟合结果
其误差变化为
求解线性方程组优化的误差
比较上述两种解法,以及多项式拟合的思想,我们可以总结出(1)利用函数的近似多项式表示,和最小二乘法来表示目标函数,我们可以高效的拟合非线性函数
(2)梯度下降法可以一步步迭代逼近目标函数的极值,而不用直接求出偏导数最优解
(3)求解方程组,使用数学消元的算法,直接一步优化完成了目标函数的偏导数最优解
(4)从结果上比较,求解方程组的效率和拟合结果要比梯度下降法好
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