吴恩达机器学习课程笔记 | 第4章

本系列文章如果没有特殊说明，正文内容均解释的是文字上方的图片
机器学习 | Coursera
吴恩达机器学习系列课程_bilibili

@TOC

4 多变量线性回归

4-1 多特征

• 用n来表示数据集中特征的数量，这里有4个特征
• y表示输出量
• 用$x^{(i)}$来表示第i行的数据（输入量）
• 用$x^{(i)}_j$来表示第i行的第j个特征

上图是新的假定函数

• $x_1，x_2，x_3……$是多个特征
• 可以假定一个$x^{(i)}_0=1$，这样x和θ就可以写成两个列向量，假定函数就可以写作$θ^Tx$，即求两个矩阵的内积

4-2 多元梯度下降法

• 如上图，从$θ_1$到$θ_n$同步更新，同时特征$x$需要对应

4-3 多元梯度下降法I——特征缩放

缩放

• 这里假设只有两个特征值，特征$x_1$的取值范围是0-2000，特征$x_2$的取值范围是1-5，之后作出的代价函数的等高线图会是一个又高又瘦的椭圆，在进行梯度下降算法时，可能会反复震荡导致收敛太慢，如上图左侧
• 将特征$x_1$和$x_2$缩放，使这两个特征值的范围都在0-1，这样产生的代价函数的图像会变成向上图右侧一样的圆形，这样就会更快地收敛
• 一般会让特征值处于$[-1,1]$范围内，如果比较接近$\pm1$也可以直接计算，不需要进行特征缩放
• 如果特征值过小，如$[-0.0001,0.0001]$也需要进行缩放

归一化

• 如特征$x_1$的平均值为1000，范围为$(0,2000]$，则可以将$x_1$化为$x_1=\frac{size-1000}{2000}$（在这里的例子里$x_1$是房屋的面积）
• 公式为$x_1=\frac{x_1-μ_1}{s_1}$，$s_1$为特征$x_1$原来的范围大小（$max-min$），$μ_1$为特征$x_1$原来的平均值

4-4 多元梯度下降法演练I——学习率α

上图左侧纵坐标为计算得出的代价函数的值，横坐标为进行梯度下降算法的次数，次数增加后，代价函数会越来越接近最小值，逐渐收敛

• 如果图像为上图左侧的两种，说明学习率过大，导致像上图右侧一样的变化发散
• 只要学习率足够小，一定会是收敛的（即进行梯度下降算法的次数越多，代价函数一定会越来越接近最小值）
• 学习率过小会导致收敛速度变慢

取学习率时，通常是每隔大约三倍取，如$0.001,0.003,0.01,0.03.0.1,0.3,1$

4-5 特征和多项式回归

• 用多次的函数来拟合，依然使用之前的一次式，但让$x_1=size$，$x_2=size^2$，$x_3=size^3$
• 或者也可以令假定函数是$h_θ(x)=θ_0+θ_1x_1+θ_2x_2=θ_0+θ_1(size)+θ_2\sqrt{size}$

4-6 正规方程（Normal Equation）（区别于迭代方法的直接解法）

（最小二乘法）
$$θ=(X^TX)^{-1}X^Ty$$

• 使用这个式子不需要进行特征缩放
• $X$为$m×n$的矩阵，$m$为数据数量（training examples），$n$为特征个数

上图是梯度下降算法和正规方程的优缺点

• 在特征数量$n$大于10000左右时，开始考虑不使用正规方程而使用梯度下降算法