线性回归推导及实例
贝叶斯线性回归的推导与应用
贝叶斯线性回归的推导与应用贝叶斯线性回归是一种基于贝叶斯统计学原理的回归模型。
它通过引入先验分布和后验分布来对线性回归进行建模，从而得到更准确的预测结果。
本文将对贝叶斯线性回归的推导过程和应用进行详细介绍。
一、推导1. 线性回归模型线性回归模型假设自变量x与因变量y之间存在线性关系，可以表示为：y = wx + b + ε其中，w是权重（系数），b是常数项，ε是误差项，服从均值为0、方差为σ^2的正态分布。
2. 先验分布贝叶斯线性回归引入先验分布来描述权重w和常数项b的不确定性。
假设先验分布为正态分布：p(w, b) = N(w|w0, V0) * N(b|b0, V0)其中，w0和b0为先验分布的均值，V0为先验分布的协方差矩阵。
3. 后验分布根据贝叶斯定理，后验分布可以表示为：p(w, b | D) = p(D | w, b) * p(w, b) / p(D)其中，D为已观测到的数据集。
4. 最大后验估计为了估计后验分布中的参数，我们采用最大后验估计（MAP）方法。
MAP估计等价于最小化负对数后验估计：(w*, b*) = argmin(-log(p(w, b | D)))根据先验和似然分布的定义，可以推导出MAP估计的目标函数为：L(w, b) = -log(p(D | w, b)) - log(p(w, b))具体推导过程较为复杂，这里不做详细介绍。
5. 参数更新为了最小化目标函数，我们可以使用梯度下降法进行参数更新。
根据目标函数的梯度，可以得到参数的更新规则为：w_new = w_old - α * (∂L/∂w)b_new = b_old - α * (∂L/∂b)其中，α为学习率。
二、应用贝叶斯线性回归在实际问题中具有广泛的应用。
以下以一个房价预测的案例来说明其应用过程。
假设我们有一组已知的房屋面积x和对应的售价y的数据，我们希望通过贝叶斯线性回归来预测未知房屋的售价。
1. 数据准备将已知的房屋面积x和售价y作为训练数据，构建数据集D。
线性回归方程推导
线性回归方程推导线性回归之最小二乘法推导及python实现线性回归、加权线性回归及岭回归的原理和公式推导- 线性回归- 加权线性回归机器学习相关的博文相信已经很多了，作为机器学习的一枚菜鸟，写这篇博文不在于标新立异，而在于分享学习，同时也是对自己研究生生涯的总结和归纳，好好地把研究生的尾巴收好。
想着比起出去毕业旅行，在实验室总结一下自己的所学，所想，所感应该更有意义吧。
（其实也想出去玩，但是老板要求再出一篇文章，那只好和毕业旅行拜拜了，所以趁机写个系列吧，反正后面的时间应该就是文章+博客的双重循环了，其实也是挺美的哈）学习机器学习的小心得：脑袋中一定要有矩阵、向量的概念，这一点非常重要，因为我们现在处理的数据是多维的数据，所以可能无法非常直观的来表述我们的数据，所以大脑中一定要有这样的概念。
然后就是Coding再Coding，这一点自己也没做好啦，惭愧。
线性回归回归的目的就是对给定的数据预测出正确的目标值，分类的目的是对给定的数据预测出正确的类标，要注意区分这两个概念，其实我在刚接触机器学习的时候经常把这两个概念弄混。
那么，对于线性回归，就是实现对给定数据目标值的预测过程。
那么对于给定的训练数据X=[x#x2192;1,x#x2192;2,#x2026;,x#x2192;m]T"role="presentation" style="position: relative;">X=[x? 1,x? 2, (x) m]TX=[x→1,x→2,…,x→m]TX = [vec{x}_1, vec{x}_2, dots, vec{x}_m]^{T}，其中x#x2192;i={xi1,xi2,xi3,#x2026;,xin}T" role="presentation" style="position: relative;">x? i={xi1,xi2,xi3,…,xin}Tx→i={xi1,xi2,xi3,…,xin}Tvec{x}_i = {x_{i1}, x_{i2}, x_{i3}, dots, x_{in}}^{T}。
线 性 回 归 方 程 推 导
线性回归——正规方程推导过程线性回归——正规方程推导过程我们知道线性回归中除了利用梯度下降算法来求最优解之外，还可以通过正规方程的形式来求解。
首先看到我们的线性回归模型：f(xi)=wTxif(x_i)=w^Tx_if(xi?)=wTxi?其中w=(w0w1.wn)w=begin{pmatrix}w_0w_1.w_nend{pmatrix}w=?w0?w1?. wn?，xi=(x0x1.xn)x_i=begin{pmatrix}x_0x_1.x_nend{pmatrix}xi?=?x0 x1.xn，m表示样本数，n是特征数。
然后我们的代价函数(这里使用均方误差)：J(w)=∑i=1m(f(xi)?yi)2J(w)=sum_{i=1}^m(f(x_i)-y_i)^2J(w) =i=1∑m?(f(xi?)?yi?)2接着把我的代价函数写成向量的形式：J(w)=(Xw?y)T(Xw?y)J(w)=(Xw-y)^T(Xw-y)J(w)=(Xw?y)T(Xw?y) 其中X=(1x11x12?x1n1x21x22?x2n?1xm1xm2?xmn)X=begin{pmatrix}1 x_{11} x_{12} cdots x_{1n}1 x_{21} x_{22} cdots x_{2n}vdots vdots vdots ddots vdots1 x_{m1} x_{m2} cdots x_{mn}end{pmatrix}X=?11?1?x11?x21?xm1?x12?x22?xm2?x1n?x2n?xmn?最后我们对w进行求导，等于0，即求出最优解。
在求导之前，先补充一下线性代数中矩阵的知识：1.左分配率：A(B+C)=AB+ACA(B+C) = AB+ACA(B+C)=AB+AC；右分配率：(B+C)A=BA+CA(B+C)A = BA + CA(B+C)A=BA+CA2.转置和逆：(AT)?1=(A?1)T(A^T)^{-1}=(A^{-1})^T(AT)?1=(A?1)T，(AT)T=A(A^T)^T=A(AT)T=A3.矩阵转置的运算规律：(A+B)T=AT+BT(A+B)^T=A^T+B^T(A+B)T=AT+BT；(AB)T=BTAT(AB)^T=B^TA^T(AB)T=BTAT然后介绍一下常用的矩阵求导公式：1.δXTAXδX=(A+AT)Xfrac{delta X^TAX}{delta X}=(A+A^T)XδXδXTAX?=(A+AT)X2.δAXδX=ATfrac{delta AX}{delta X}=A^TδXδAX?=AT3.δXTAδX=Afrac{delta X^TA}{delta X}=AδXδXTA?=A然后我们来看一下求导的过程：1.展开原函数，利用上面的定理J(w)=(Xw?y)T(Xw?y)=((Xw)T?yT)(Xw?y)=wTXTXw?wTXTy?yTXw+yT yJ(w)=(Xw-y)^T(Xw-y)=((Xw)^T-y^T)(Xw-y)=w^TX^TXw-w^TX^Ty-y^TXw+y^TyJ(w)=(Xw?y)T(Xw?y)=((Xw)T?yT)(Xw?y)=wTXTXw?wTXTy?yT Xw+yTy2.求导，化简得，δJ(w)δw=(XTX+(XTX)T)w?XTy?(yTX)T=0?2XTXw?2XTy=0?XTXw=X Ty?w=(XXT)?1XTyfrac{delta J(w)}{delta w}=(X^TX+(X^TX)^T)w-X^Ty-(y^TX)^T=0implies2X^TXw-2X^Ty=0implies X^TXw=X^Tyimplies w=(XX^T)^{-1}X^TyδwδJ(w)?=(XTX+(XTX)T)w?XTy?(yTX)T=0?2XTX w?2XTy=0?XTXw=XTy?w=(XXT)?1XTy最后补充一下关于矩阵求导的一些知识，不懂可以查阅：矩阵求导、几种重要的矩阵及常用的矩阵求导公式这次接着一元线性回归继续介绍多元线性回归，同样还是参靠周志华老师的《机器学习》，把其中我一开始学习时花了较大精力弄通的推导环节详细叙述一下。
线性回归方程推导
线性回归方程推导sklearn - 线性回归(正规方程与梯度下降)一: 线性回归方程线性回归（英语：linear regression）是利用称为线性回归方程的最小二乘函数对一个或多个自变量和因变量之间关系进行建模的一种回归分析。
这种函数是一个或多个称为回归系数的模型参数的线性组合。
只有一个自变量的情况称为简单回归，大于一个自变量情况的叫做多元回归在线性回归中，数据使用线性预测函数来建模，并且未知的模型参数也是通过数据来估计。
这些模型被叫做线性模型。
最常用的线性回归建模是给定X值的y的条件均值是X的仿射函数。
不太一般的情况，线性回归模型可以是一个中位数或一些其他的给定X的条件下y的条件分布的分位数作为X的线性函数表示。
像所有形式的回归分析一样，线性回归也把焦点放在给定X值的y的条件概率分布，而不是X 和y的联合概率分布（多元分析领域）。
线性回归有很多实际用途。
分为以下两大类：如果目标是预测或者映射，线性回归可以用来对观测数据集的和X的值拟合出一个预测模型。
当完成这样一个模型以后，对于一个新增的X值，在没有给定与它相配对的y的情况下，可以用这个拟合过的模型预测出一个y给定一个变量y和一些变量X1X1.,XpXp{displaystyleX_{1}}X_1.,{displaystyle X_{p}}X_pX1?X1?.,Xp?Xp?，这些变量有可能与y相关，线性回归分析可以用来量化y与Xj之间相关性的强度，评估出与y不相关的，XjXj{displaystyle X_{j}}X_jXj?Xj?并识别出哪些XjXj{displaystyle X_{j}}X_jXj?Xj?的子集包含了关于y的冗余信息。
使用sklearn线性回归模型(jupyter)这里我们以波士顿的房价数据来进行使用分析(一): 导入sklearnimport numpy as np# 线性回归,拟合方程,求解系数, 一次幂# 线性方程:直来直去,不拐弯from sklearn.linear_model import LinearRegression# 导入数据集from sklearn import datasets# 导入数据分离的方法(获取数据后,一部分数据用来让回归模型学习,另一部分用来预测)from sklearn.model_selection import train_test_split(二): 获取波士顿房价数据# 获取的数据是numpy,ndarray类型data = datasets.load_boston()# 该数据内有完整的影响房价的因素和完整的房价信息,本次实验就是将数据分为两部分, 一部分用来训练模型,另一部分用来预测,最后将预测出来的数据和已有的完整信息进行对比,判断该模型是否适用于这组房价数据data # 查看data的数据结构data.feature_names # 查看影响房价的属性名# x是属性,特征,未知数X = data['data']X.shape # 运行结果是(506, 13), 506表示样本是506个, 每个样本采集了13个属性特征;13个属性,需要构建构建了13元一次方程# y 是房价的估值y = data['target']# X, y = datasets.load_boston(True) 获取到X, y的值和以上的一样(三): 使用模型进行预测X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y) # 将数据进行分离(默认是3:1); train_test_split(X, y)函数会随机打乱顺序display(X_train.shape, X_test.shape) # (379, 13) ; (127, 13) # 声明算法linear = LinearRegression()# 训练模型linear.fit(X_train, y_train) # X_train, y_train是之前分离出来用来训练模型的数据y_ = linear.predict(X_test).round(1) # X_test是影响房价的因素,该预测模型能根据影响房价的因素预测剩余部分的房价# 预估数据和实际数据比较print(y_)print(y_test)经过估计数据和实际数据对比,说明算法模型适用于数据(四): 自建方程预测数据与使用线性模型得到的数据对比假设波士顿的房价数据符合线性回归的特性,则我们可以通过构建线性方程来预测波士顿剩余部分的房价信息根据一次线性回归方程: f(X)=Xw+bf(X) = Xw+bf(X)=Xw+b 可推导得出: f(X)=w1x1+W2x2+.+w13x13+b f(X) = w_1x_1+W_2x_2+.+w_{13}x_{13}+bf(X)=w1?x1?+W2?x2?+.+w13?x13?+b (有13个影响房价的因素)代码如下:# 通过训练模型,可从模型中得出系数ww_ = linear.coef_# 通过训练模型,可从模型中得出截距bb_ = linear.intercept_# 自建方程def fun(w_, b_, X):return np.dot(X, w_)+b_# 调用方程得到预估的房价信息fun(w_, b_, X_test).round(1) # round(1)保留一位小数array([31.3, 13.4, 28.6, 20.5, 20.4, 19.4, 32.2, 24. , 25.8, 29.5,24.5,25.2, 31.9, 8.2, 20.9, 29.3, 22.3, 35.2, 16.4, 18.5, 30.8, 41.1, 16.2, 13.7, 17.7, 23.8, 7.8, 12. , 20.5, 15.3, 29.3, 26.8, 31.8, 26. , 30.4, 39.2, 25.3, 40.7, 11.6, 27.3, 16.7, 18.8, 19.5, 19.9, 20.7, 22.8, 17.4, 21.6, 23.3, 30. , 25.2, 23.7, 34.2, 18.2, 33.5, 16. , 28.3, 14.1, 24.2, 16.2, 16.7, 23.5, 16. , 21.4, 21.8, 28.2,25.7, 31.2, 18.8, 26.4, 28.3, 21.9, 27.5, 27.1, 27.1, 15. , 26. ,26.3, 13.2, 13.3, 26.1, 20.5, 16.8, 24.3, 36.6, 21.4, 8.3, 27.8,3.6, 19.2, 27.5, 33.6, 28.4, 34.3, 28.2, 13.3, 18. , 23.5, 30.4,32.9, 23.7, 30.5, 19.8, 19.5, 18.7, 30.9, 36.3, 8. , 18.2, 13.9, 15. , 26.4, 24. , 30.2, 20. , 5.6, 21.4, 22.9, 17.6, 32.8, 22.1, 32.6, 20.9, 19.3, 23.1, 21. , 21.5])# 使用sklesrn中的线性模型得到的预估房价信息linear.predict(X_test).round(1)array([31.3, 13.4, 28.6, 20.5, 20.4, 19.4, 32.2, 24. , 25.8, 29.5,24.5,25.2, 31.9, 8.2, 20.9, 29.3, 22.3, 35.2, 16.4, 18.5, 30.8, 41.1, 16.2, 13.7, 17.7, 23.8, 7.8, 12. , 20.5, 15.3, 29.3, 26.8, 31.8, 26. , 30.4, 39.2, 25.3, 40.7, 11.6, 27.3, 16.7, 18.8, 19.5, 19.9, 20.7, 22.8, 17.4, 21.6, 23.3, 30. , 25.2, 23.7, 34.2, 18.2, 33.5, 16. , 28.3, 14.1, 24.2, 16.2, 16.7, 23.5, 16. , 21.4, 21.8, 28.2,25.7, 31.2, 18.8, 26.4, 28.3, 21.9, 27.5, 27.1, 27.1, 15. , 26. ,26.3, 13.2, 13.3, 26.1, 20.5, 16.8, 24.3, 36.6, 21.4, 8.3, 27.8,3.6, 19.2, 27.5, 33.6, 28.4, 34.3, 28.2, 13.3, 18. , 23.5, 30.4,32.9, 23.7, 30.5, 19.8, 19.5, 18.7, 30.9, 36.3, 8. , 18.2, 13.9, 15. , 26.4, 24. , 30.2, 20. , 5.6, 21.4, 22.9, 17.6, 32.8, 22.1,32.6, 20.9, 19.3, 23.1, 21. , 21.5])通过自建模型获取预估数据与使用模型获取预估数据进行比较,两组数据完全一致;(五): 使用线性回归,求解斜率和截距根据最小二乘法: min?w∣∣Xw?y∣∣22min_{w}||Xw-y||_2^2wmin?∣∣Xw?y∣∣22? 推到得出公式: w=(XTX)?1XTyw = (X^TX)^{-1}X^Tyw=(XTX)?1XTy 以上公式只能求出w,我们可以先求出w再计算出b;但此处我们有更简单的方法:根据线性回归方程f(x)=w1x1+w2x2+b f(x) = w_1x_1+w_2x_2+bf(x)=w1?x1?+w2?x2?+b 我们可以将方程中的b 看成是w3x30w_3x_3^0w3?x30?,所以可得: f(x)=w1x11+w2x21+w3x30f(x) = w_1x_1^1+w_2x_2^1+w_3x_3^0f(x)=w1?x11?+w2?x21?+w3?x3 0?代码如下:import numpy as npfrom sklearn.linear_model import LinearRegressionfrom sklearn import datasetsX, y = datasets.load_boston(True)linear = LinearRegression()linear.fit(X,y)w_ = linear.coef_b_ = linear.intercept_# 向X中插入一列全是1的数据(任何数的0次方都是1)X = np.concatenate([X, np.ones(shape = (506, 1))], axis=1) # 根据最小二乘法的推导公式:w和b的值为(最后一个值是b) w = ((np.linalg.inv(X.T.dot(X))).dot(X.T)).dot(y)# 以上w的写法过于装逼,所以分解为:# A = X.T.dot(X) 求X和转置后的X的内积(公式中的XTX)# B = np.linalg.inv(A) 求A的逆矩阵(公式中的-1次方)# C = B.dot(X.T) 求以上矩阵和X的转置矩阵的内积(公式中的XT) # w = C.dot(y) 与y求内积,得出w和b运行结果:array([-1.08011358e-01, 4.64204584e-02, 2.05586264e-02, 2.68673382e+00,-1.77666112e+01, 3.80986521e+00, 6.92224640e-04, -1.47556685e+00,3.06049479e-01, -1.23345939e-02, -9.52747232e-01,9.31168327e-03,-5.24758378e-01, 3.64594884e+01])print(b_)运行结果:36.45948838509001扩展一: 最小二乘法和向量范数min?w∣∣Xw?y∣∣22min_{w}||Xw-y||_2^2wmi n?∣∣Xw?y∣∣22?右上角的2是平方右下角的2是向量2范数竖线内的表达式是向量根据最小二乘法的公式, 推导得出w=(XTX)?1XTyw = (X^TX)^{-1}X^Tyw=(XTX)?1XTy向量的1-范数(表示各个元素的绝对值的和)∣∣X∣∣1=∑i=1n∣xi∣||X||_1 = sumlimits_{i=1}^n |x_i|∣∣X∣∣1?=i=1∑n?∣xi?∣向量的2-范数(表示每个元素的平方和再开平方)∣∣X∣∣2=∑i=1nxi2||X||_2 = sqrt{suml imits_{i=1}^n x_i^2}∣∣X∣∣2?=i=1∑n?xi2?向量的无穷范数(所有向量元素绝对值中的最大值)∣∣X∣∣∞=max?1≥i≤n∣Xi∣||X||_{infty} = maxlimits_{1 geq i leq n}|X_i|∣∣X∣∣∞?=1≥i≤nmax?∣Xi?∣扩展二: 导数, 偏导数对函数f(x)=x2+3x+8f(x) = x^2+3x+8f(x)=x2+3x+8 求导得: f(x)′=2x+3f(x)' = 2x+3f(x)′=2x+3求导规则:参数求导为0参数乘变量求导为常数变量的次方求导: xyx^yxy求导为yxy?1yx^{y-1}yxy?1复合函数求导:$$(x^2-x)^2$$求导: 先将括号看成一个整体求导, 结果再乘以括号内的求导结果$$2(x^2-x)(2x-1)$$有多个变量得函数求导:对函数: f(x,y)=x2+xy+y2f(x, y) = x^2+xy+y^2f(x,y)=x2+xy+y2 求导:求导规则: 多变量函数只能针对某一个变量求导,此时将其他变量看成常数将x看成常数a: fa(y)=a2+ay+y2f_a(y) = a^2+ay+y^2fa?(y)=a2+ay+y2求导得:fa′(y)=a+2yf_a'(y) = a+2yfa′?(y)=a+2y故求导得: ?f?y(x,y)=x+2yfrac{partial f}{partial y}(x,y)=x+2y?y?f?(x,y)=x+2y实现线性回归的两种方式:正规方程梯度下降二: 正规方程(一): 损失函数最小二乘法:min?w∣∣Xw?y∣∣22minlimits_{w}||Xw-y||_2^2wmin?∣∣Xw?y∣∣22?当X和y都是常数时,按照向量2范数将上面的最小二乘法解开:f(w)=(Xw?y)2f(w)=(Xw-y)^2f(w)=(Xw?y)2将X,y替换成常数a,bf(w)=(aw?b)2f(w)=(aw-b)^2f(w)=(aw?b)2f(w)=a2w2?2abw+b2f(w)=a^2w^2 - 2abw + b^2f(w)=a2w2?2abw+b2 ?由于最小二乘法方程的函数值都是大雨或等于0的,所以此时得到一个开口向上的抛物线(一元二次方程)此时的f(w)f(w)f(w)就是损失函数,在此时求该函数的导数(抛物线函数顶点的导数为0)就能得到该函数的最小值,也就是最小损失f′(w)=2a2w?2ab=0f'(w)=2a^2w-2ab=0f′(w)=2a2w?2ab=0(二): 矩阵常用求导公式X的转置矩阵对X矩阵求导, 求解出来是单位矩阵dXTdX=Ifrac{dX^T}{dX} = IdXdXT?=IdXdXT=Ifrac{dX}{dX^T} = IdXTdX?=IX的转置矩阵和一个常数矩阵相乘再对X矩阵求导, 求解出来就是改常数矩阵dXTAdX=Afrac{dX^TA}{dX} = AdXdXTA?=AdAXdX=ATfrac{dAX}{dX} = A^TdXdAX?=ATdXAdX=ATfrac{dXA}{dX} = A^TdXdXA?=ATdAXdXT=Afrac{dAX}{dX^T} = AdXTdAX?=A(三): 正规方程矩阵推导过程此时X,w,y都是矩阵1: 公式化简1: 最小二乘法:f(w)=∣∣Xw?y∣∣22f(w) = ||Xw-y||_2^2f(w)=∣∣Xw?y∣∣22?2: 向量2范数:∣∣X∣∣2=∑i=1nxi2||X||_2 = sqrt{sumlimits_{i = 1}^nx_i^2}∣∣X∣∣2?=i=1∑n?xi2?3: 将向量2范数的公式带入到最小二乘法中得:f(w)=((Xw?y)2)2f(w)=(sqrt{(Xw-y)^2})^2f(w)=((Xw?y)2?)2f(w)=(Xw?y)2f(w)=(Xw-y)^2f(w)=(Xw?y)2由于X, w, y都是矩阵, 运算后还是矩阵; 矩阵得乘法是一个矩阵得行和另一个矩阵得列相乘; 所以矩阵的平方就是该矩阵乘以他本身的转置矩阵f(w)=(Xw?y)T(Xw?y)f(w)=(Xw-y)^T(Xw-y)f(w)=(Xw?y)T(Xw?y) 注意: 整体转置变成每个元素都转置时,若是有乘法, 则相乘的两个矩阵要交换位置; 如下所示!f(w)=(wTXT?yT)(Xw?y)f(w)=(w^TX^T-y^T)(Xw-y)f(w)=(wTXT?yT)(Xw ?y)f(w)=wTXTXw?wTXTy?yTXw+yTyf(w)=w^TX^TXw-w^TX^Ty-y^TXw+y^Tyf( w)=wTXTXw?wTXTy?yTXw+yTy 注意: 若想交换两个相乘的矩阵在算式中的位置,则交换之后双方都需要转置一次; 如下所示!f(w)=wTXTXw?(XTy)T(wT)T?yTXw+yTyf(w)=w^TX^TXw-(X^Ty)^T(w^T)^ T-y^TXw+y^Tyf(w)=wTXTXw?(XTy)T(wT)T?yTXw+yTyf(w)=wTXTXw?yTXw?yTXw+yTyf(w)=w^TX^TXw-y^TXw-y^TXw+y^Tyf(w)= wTXTXw?yTXw?yTXw+yTyf(w)=wTXTXw?2yTXw+yTyf(w) = w^TX^TXw - 2y^TXw + y^Ty f(w)=wTXTXw?2yTXw+yTyf(w)=wTXTXw?2yTXw+yTyf(w) = w^TX^TXw - 2y^TXw + y^Ty f(w)=wTXTXw?2yTXw+yTy这里 yTyy^TyyTy 是常数求导后为02yTXw2y^TXw2yTXw 求导:d(2yTX)wdw=(2yTX)T=2XT(yT)T=2XTyfrac{d(2y^TX)w}{dw}= (2y^TX)^T=2X^T(y^T)^T=2X^Tydwd(2yTX)w?=(2yTX)T=2XT(yT)T=2XTy wTXTXww^TX^TXwwTXTXw求导:dwTXTXwdw=d(wTXTX)wdw+dwT(XTXw)dw=(wTXTX)T+XTXw=XT(XT)T(wT)T+XTXw=2XTXwfrac{dw^TX^TXw}{dw}=frac{d(w^TX^TX)w}{dw} +frac{dw^T(X^TXw)}{dw}=(w^TX^TX)^T+X^TXw=X^T(X^T)^T(w^T)^T +X^TXw=2X^TXwdwdwTXTXw?=dwd(wTXTX)w?+dwdwT(XTXw)?=(wTXTX)T+XTXw=X T(XT)T(wT)T+XT Xw=2XTXwf′(w)=2XTXw?2XTyf'(w) = 2X^TXw - 2X^Tyf′(w)=2XTXw?2XTy令f′(w)=0f'(w)=0f′(w)=0,则:2XTXw?2XTy=02X^TXw - 2X^Ty = 02XTXw?2XTy=0XTXw=XTyX^TXw=X^TyXTXw=XTy矩阵运算没有除法,可以用逆矩阵实现除法的效果等式两边同时乘以XTXX^TXXTX的逆矩阵(XTX)?1(X^TX)^{-1}(XTX)?1 (XTX)?1(XTX)w=(XTX)?1XTy(X^TX)^{-1}(X^TX)w=(X^TX)^{-1}X^Ty(X TX)?1(XTX)w=(XTX)?1XTy Iw=(XTX)?1XTyIw=(X^TX)^{-1}X^TyIw=(XTX)?1XTy I是单位矩阵得到正规方程:w=(XTX)?1XTyw=(X^TX)^{-1}X^Tyw=(XTX)?1XTy(四): 数据挖掘实例(预测2020年淘宝双十一交易额)import numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltfrom sklearn.linear_model import LinearRegressionX = np.arange(2009, 2020) # 年份X = X -2008 # 年份数值太大,差别不明显y = np.array([0.5, 9.36, 52, 191, 350, 571, 912, 1207, 1682, 2135, 2684]) # 09年到19年的交易额假设X和y之间是一元三次的关系(按照前几年的数据走势提出的假设)f(x)=w1x+w2x2+w3x3+bf(x)=w_1x+w_2x^2+w_3x^3+bf(x) =w1?x+w2?x2 +w3?x3+bf(x)=w0x0+w1x1+w2x2+w3x3f(x)=w_0x^0+w_1x^1+w_2x^ 2+w_3x^3f(x) =w0?x0+w1?x1+w2?x2+w3?x3# X_oo = np.concatenate([a,a]) # 横着级联X_train = np.c_[X**0, X**1, X**2, X**3] # 竖着级联array([[ 1, 1, 1, 1],[ 1, 2, 4, 8],[ 1, 3, 9, 27],[ 1, 4, 16, 64],[ 1, 5, 25, 125],[ 1, 6, 36, 216],[ 1, 7, 49, 343],[ 1, 8, 64, 512],[ 1, 9, 81, 729],[ 1, 10, 100, 1000],[ 1, 11, 121, 1331]], dtype=int32)linear = LinearRegression(fit_intercept=False) # 声明算法; fit_intercept=False将截距设置为0, w0就是截距linear.fit(X_train, y) # 训练w_ = linear.coef_print(linear.coef_.round(2)) # 获取系数print(linear.intercept_) # 获取截距[ 58.77 -84.06 27.95 0.13]可以得到方程:f(x)=58.77?84.06x+27.95x2+0.13x3f(x)=58.77-84.06x+27.95x^2+0 .13x^3f(x)=58.77?84.06x+27.95x2+0.13x3X_test = np.linspace(0,12,126) # 线性分割(将0,12之间分成126分)等差数列包含1和12X_test = np.c_[X_test**0, X_test**1, X_test**2, X_test**3] # 和训练数据保持一致y_ = linear.predict(X_test) # 使用模型预测plt.plot(np.linspace(0,12,126), y_, color='g') # 绘制预测方程曲线plt.scatter(np.arange(1,12), y, color='red') # 绘制每年的真实销量# 定义函数fun = lambda x : w_[0] + w_[1]*x + w_[2]*x**2 + w_[-1]*x**3 '''3294.2775757576132'''三: 梯度下降梯度下降法的基本思想可以类比为一个下山的过程。
线性回归方程公式推导过程
线性回归方程公式推导过程公式是数学题目的解题关键，那么线性回归方程公式推导过程是什么呢?下面是由小编为大家整理的“线性回归方程公式推导过程”，仅供参考，欢迎大家阅读。
线性回归方程公式推导过程假设线性回归方程为： y=ax+b (1)，a,b为回归系数,要用观测数据(x1,x2,...,xn和y1,y2,...,yn)确定之。
为此构造Q(a,b)=Σ(i=1->n)[yi-(axi+b)]^2 (2)，使Q(a,b)取最小值的a,b为所求。
令：∂Q/∂a= 2Σ(i=1->n)[yi-(axi+b)](-xi)= 0 (3)，∂Q/∂b= 2Σ(i=1->n)[yi-(axi+b)] = 0 (4)，根据(3)、(4)解出a ,b就确定了回归方程(1)：a Σ (Xi)² +b Σ Xi = Σ Xi Yi (5)；a Σ Xi +b n = Σ Yi (6)；由(5)(6)解出a,b便是。
//这一步就省略了。
拓展阅读：线性回归方程的分析方法分析按照自变量和因变量之间的关系类型，可分为线性回归分析和非线性回归分析。
如果在回归分析中，只包括一个自变量和一个因变量，且二者的关系可用一条直线近似表示，这种回归分析称为一元线性回归分析。
如果回归分析中包括两个或两个以上的自变量，且因变量和自变量之间是线性关系，则称为多元线性回归分析。
线性回归方程的例题求解用最小二乘法估计参数b,设服从正态分布,分别求对a、b的偏导数并令它们等于零，得方程组解得。
其中，且为观测值的样本方差.线性方程称为关于的线性回归方程,称为回归系数,对应的直线称为回归直线.顺便指出,将来还需用到,其中为观测值的样本方差。
先求x,y的平均值。
利用公式求解：b=把x,y的平均数带入a=y-bx。
求出a=是总的公式y=bx+a线性回归方程y=bx+a过定点。
(x为xi的平均数，y为yi的平均数)。
线 性 回 归 方 程 推 导
线性回归算法推导线性回归之最小二乘法推导及python实现前言线性模型基本形式模型评估寻找最优解python实现最小二乘法本文章为个人的学习笔记。
学习书籍《机器学习》（周志华著，俗称西瓜书）。
线性模型基本形式首先是最基本的线性模型：f(x)=w1x1+w2x2+w3x3+.+wnxn+bf( textbf{x} )=w_1x_1+w_2x_2+w_3x_3+.+w_nx_n+bf(x)=w1?x1?+w 2?x2?+w3?x3?+.+wn?xn?+b化简成向量形式f(x)=xw+bf( textbf{x})= textbf{x}textbf{w} +b f(x)=xw+bf(x)≈yf( textbf{x})approx yf(x)≈y其中x=(x1,x2,x3.,xn)textbf{x}=(x_1,x_2,x_3.,x_n)x=(x1?,x2?,x3?. ,xn?)，xix_ixi? 代表xtextbf{x}x的第i个属性。
而w=(w1;w2;w3;.;wn)textbf{w}=(w_1;w_2;w_3;.;w_n)w=(w1?;w2?;w3 ;.;wn)对应于 xtextbf{x}x 不同属性的系数。
其中yyy代表了数据xtextbf{x}x的真实情况，而f(x)f(bf{x})f(x)得到的是对xtextbf{x}x的预测值，我们通过(y，x)(y，textbf{x})(y，x)对模型进行训练，力求通过线性模型f(x)f(bf{x})f(x)来对yyy未知的数据进行预测。
为了计算方便，令：x=(x1,x2,x3.,xn,1)textbf{x}=(x_1,x_2,x_3.,x_n,1)x=(x1?,x 2?,x3?.,xn?,1)w=(w1;w2;w3;.;wn;b)textbf{w}=(w_1;w_2;w_3;.;w _n;b)w=(w1?;w2?;w3?;.;wn?;b)线性模型就写成如下形式：f(x)=wxf( textbf{x})= textbf{w} textbf{x} f(x)=wx模型评估线性回归的目标就是要找到一个最合适的模型来使得预测的准确度最大化。
高中数学：线性回归方程
高中数学：线性回归方程一、推导2个样本点的线性回归方程例1、设有两个点A（x1，y1），B（x2，y2），用最小二乘法推导其线性回归方程并进行分析。
解：由最小二乘法，设，则样本点到该直线的“距离之和”为从而可知：当时，b有最小值。
将代入“距离和”计算式中，视其为关于b的二次函数，再用配方法，可知：此时直线方程为：设AB中点为M，则上述线性回归方程为可以看出，由两个样本点推导的线性回归方程即为过这两点的直线方程。
这和我们的认识是一致的：对两个样本点，最好的拟合直线就是过这两点的直线。
上面我们是用最小二乘法对有两个样本点的线性回归直线方程进行了直接推导，主要是分别对关于a和b的二次函数进行研究，由配方法求其最值及所需条件。
实际上，由线性回归系数计算公式：可得到线性回归方程为设AB中点为M，则上述线性回归方程为。
二、求回归直线方程例2、在硝酸钠的溶解试验中，测得在不同温度下，溶解于100份水中的硝酸钠份数的数据如下0 4 10 15 21 29 36 51 6866.7 71.0 76.3 80.6 85.7 92.9 99.4 113.6 125.1描出散点图并求其回归直线方程.解：建立坐标系，绘出散点图如下：由散点图可以看出：两组数据呈线性相关性。
设回归直线方程为：由回归系数计算公式：可求得：b=0.87，a=67.52，从而回归直线方程为：y=0.87x+67.52。
三、综合应用例3、假设关于某设备的使用年限x和所支出的维修费用y（万元）有如下统计资料：（1）求回归直线方程；（2）估计使用10年时，维修费用约是多少？解：（1）设回归直线方程为：（2）将x = 10代入回归直线方程可得y = 12.38，即使用10年时的维修费用大约是12.38万元。
线性回归案例
线性回归案例线性回归是统计学中一种常见的建模方法，用于研究自变量和因变量之间的关系。
在本文中，我们将通过一个实际的案例来介绍线性回归的应用和分析过程。
假设我们是一家房地产公司的数据分析师，公司希望了解房屋的售价与其面积之间的关系，以便更好地定价和销售房屋。
我们收集了一些房屋的数据，包括房屋的面积和售价，现在我们将利用线性回归模型来分析这些数据。
首先，我们需要对数据进行可视化分析，以便更直观地了解变量之间的关系。
我们可以绘制散点图来展现房屋面积与售价之间的关系，通过观察散点图，我们可以大致判断出是否存在线性关系，并初步了解数据的分布情况。
接下来，我们可以利用线性回归模型来拟合数据，建立房屋面积与售价之间的数学模型。
线性回归模型的数学表达式为，Y = β0 + β1X + ε，其中Y表示因变量（售价），X表示自变量（面积），β0和β1分别表示截距和斜率，ε表示误差。
通过拟合线性回归模型，我们可以得到最优的截距和斜率的估计值，从而建立起房屋面积与售价之间的线性关系。
同时，我们还可以利用拟合的模型对房屋售价进行预测，从而帮助公司更好地制定定价策略。
除了建立模型和进行预测，我们还需要对模型的拟合效果进行评估。
常用的评估指标包括均方误差（MSE）、决定系数（R-squared）等，这些指标可以帮助我们判断模型的拟合程度和预测精度，从而更好地理解房屋面积与售价之间的关系。
最后，我们需要对线性回归模型的结果进行解释和分析，从统计学的角度来解释房屋面积对售价的影响程度。
通过对模型结果的解释，我们可以为公司提供更深入的市场分析和房屋定价建议，从而更好地满足客户的需求。
通过以上实例，我们可以看到线性回归在实际数据分析中的应用和重要性。
通过建立数学模型、进行预测和评估，线性回归可以帮助我们更好地理解变量之间的关系，为决策提供更有力的支持。
希望本文的案例分析能够帮助读者更好地理解线性回归的应用和分析过程，为实际工作中的数据分析提供一些启发和帮助。
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数据点基本落在一条直线附近。
这告诉我们，变量X与Y的关系大致可看作是线性关系，即它们之间的相互关系可以用线性关系来描述。
但是由于并非所有的数据点完全落在一条直线上，因此X与Y的关系并没有确切到可以唯一地由一个X值确定一个Y值的程度。
其它因素，诸如其它微量元素的含量以及测试误差等都会影响Y的测试结果。
如果我们要研究X与Y的关系，可以作线性拟合（2-1-1）我们称（2-1-1）式为回归方程，a与b是待定常数，称为回归系数。
从理论上讲，（2-1-1）式有无穷多组解，回归分析的任务是求出其最佳的线性拟合。
二、最小二乘法原理如果把用回归方程计算得到的i值(i=1,2,…n)称为回归值，那么实际测量值y i与回归值i之间存在着偏差，我们把这种偏差称为残差，记为e i(i=1,2,3,…,n)。
这样，我们就可以用残差平方和来度量测量值与回归直线的接近或偏差程度。
残差平方和定义为:(2-1-2)所谓最小二乘法，就是选择a和b使Q(a,b)最小，即用最小二乘法得到的回归直线是在所有直线中与测量值残差平方和Q最小的一条。
由(2-1-2)式可知Q是关于a,b的二次函数，所以它的最小值总是存在的。
下面讨论的a和b的求法。
三、正规方程组根据微分中求极值的方法可知，Q(a,b)取得最小值应满足(2-1-3)由(2-1-2)式，并考虑上述条件，则(2-1-4)(2-1-4)式称为正规方程组。
解这一方程组可得(2-1-5) 其中(2-1-6)(2-1-7) 式中，L xy称为xy的协方差之和，L xx称为x的平方差之和。
如果改写(2-1-1)式，可得(2-1-8) 或(2-1-9) 由此可见，回归直线是通过点的，即通过由所有实验测量值的平均值组成的点。
从力学观点看，即是N个散点的重心位置。
现在我们来建立关于例1的回归关系式。
将表2-1-1的结果代入(2-1-5)式至(2-1-7)式，得出a=1231.65b=-2236.63因此，在例1中灰铸铁初生奥氏体析出温度(y)与氮含量(x)的回归关系式为y=1231.65-2236.63x四、一元线性回归的统计学原理如果X和Y都是相关的随机变量，在确定x的条件下，对应的y值并不确定，而是形成一个分布。
当X取确定的值时，Y的数学期望值也就确定了，因此Y的数学期望是x的函数，即E(Y|X=x)=f(x)(2-1-10) 这里方程f(x)称为Y对X的回归方程。
如果回归方程是线性的，则E(Y|X=x)=α+βx(2-1-11) 或Y=α+βx+ε(2-1-12) 其中ε―随机误差从样本中我们只能得到关于特征数的估计，并不能精确地求出特征数。
因此只能用f(x)的估计式来取代（2-1-11）式，用参数a和b分别作为α和β的估计量。
那么，这两个估计量是否能够满足要求呢？1. 无偏性把(x,y)的n组观测值作为一个样本，由样本只能得到总体参数α和β的估计值。
可以证明，当满足下列条件：(1)(x i,y i)是n个相互独立的观测值(2)εi是服从分布的随机变量则由最小二乘法得到的a与b分别是总体参数α和β的无偏估计，即E(a)= αE(b)=β由此可推知E()=E(y)即y是回归值在某点的数学期望值。
2. a和b的方差可以证明，当n组观测值(x i,y i)相互独立，并且D(y i)=σ2,时，a和b的方差为(2-1-13)(2-1-14)以上两式表明，a和b的方差均与x i的变动有关，x i分布越宽，则a和b的方差越小。
另外a的方差还与观测点的数量有关，数据越多，a的方差越小。
因此，为提高估计量的准确性，x i的分布应尽量宽，观测点数量应尽量多。
建立多元线性回归方程，实际上是对多元线性模型（2-2-4）进行估计，寻求估计式（2-2-3）的过程。
与一元线性回归分析相同，其基本思想是根据最小二乘原理，求解使全部观测值与回归值的残差平方和达到最小值。
由于残差平方和（2-2-5）是的非负二次式，所以它的最小值一定存在。
根据极值原理，当Q取得极值时，应满足由（2-2-5）式，即满足（2-2-6）(2-2-6）式称为正规方程组。
它可以化为以下形式（2-2-7）如果用A表示上述方程组的系数矩阵可以看出A是对称矩阵。
则有（2-2-8）式中X是多元线性回归模型中数据的结构矩阵，是结构矩阵X的转置矩阵。
(2-2-7)式右端常数项也可用矩阵D来表示即因此(2-2-7)式可写成Ab=D（2-2-10）或（2-2-11）如果A满秩（即A的行列式）那么A的逆矩阵A-1存在，则由(2-10)式和(2-11)式得的最小二乘估计为（2-2-12）也就是多元线性回归方程的回归系数。
为了计算方便往往并不先求，再求b，而是通过解线性方程组(2-2-7)来求b。
(2-2-7)是一个有p+1个未知量的线性方程组，它的第一个方程可化为（2-2-13）式中（2-2-14）将（2-2-13）式代入（2-2-7）式中的其余各方程，得（2-2-15）其中（2-2-16）将方程组（2-2-15）式用矩阵表示，则有Lb=F（2-2-17）其中于是b=L-1F（2-2-18）因此求解多元线性回归方程的系数可由（2-2-16）式先求出L，然后将其代回（2-2-17）式中求解。
求b时，可用克莱姆法则求解，也可通过高斯变换求解。
如果把b直接代入（2-2-18）式，由于要先求出L的逆矩阵，因而相对复杂一些。
例2-2-1表2-2-1为某地区土壤内含植物可给态磷(y)与土壤内所含无机磷浓度(x1)、土壤内溶于K2CO3溶液并受溴化物水解的有机磷浓度(x2)以及土壤内溶于K2CO3溶液但不溶于溴化物的有机磷(x3)的观察数据。
求y对x1,x2,x3的线性回归方程。
表2-2-1土壤含磷情况观察数据计算如下：由(2-2-16)式代入(2-2-15)式得（2-2-19）若用克莱姆法则解上述方程组，则其解为（2-2-20）其中计算得b1=1.7848，b2=-0.0834，b3=0.1611回归方程为应用克莱姆法则求解线性方程组计算量偏大，下面介绍更实用的方法——高斯消去法和消去变换。
在上一节所介绍的非线性回归分析，首先要求我们对回归方程的函数模型做出判断。
虽然在一些特定的情况下我们可以比较容易地做到这一点,但是在许多实际问题上常常会令我们不知所措。
根据高等数学知识我们知道，任何曲线可以近似地用多项式表示，所以在这种情况下我们可以用多项式进行逼近，即多项式回归分析。
一、多项式回归方法假设变量y与x的关系为p次多项式，且在x i处对y的随机误差(i=1,2,…,n)服从正态分布N(0,)，则令x i1=x i, x i2=x i2，…，x ip=x i p则上述非线性的多项式模型就转化为多元线性模型，即这样我们就可以用前面介绍的多元线性回归分析的方法来解决上述问题了。
其系数矩阵、结构矩阵、常数项矩阵分别为(2-4-11)(2-4-12)(2-4-13) 回归方程系数的最小二乘估计为(2-4-14)需要说明的是，在多项式回归分析中，检验b j是否显著，实质上就是判断x的j次项x j对y是否有显著影响。
对于多元多项式回归问题，也可以化为多元线性回归问题来解决。
例如，对于(2-4-15) 令x i1=Z i1, x i2=Z i2, x i3=Z i12, x i4=Z i1Z i2, x i5=Z i22则(2-4-15)式转化为转化后就可以按照多元线性回归分析的方法解决了。
下面我们通过一个实例来进一步说明多项式回归分析方法。
一、应用举例例2-4-2某种合金中的主要成分为元素A和B，试验发现这两种元素之和与合金膨胀系数之间有一定的数量关系，试根据表2-4-3给出的试验数据找出y与x之间的回归关系。
表2-4-3例2-4-2试验数据首先画出散点图（图2-4-3）。
从散点图可以看出，y与x的关系可以用一个二次多项式来描述：i=1,2,3…,13图2-4-3例2-4-2的散点图令x i1=x i,x i2=x i2,则现在我们就可以用本篇第二章介绍的方法求出的最小二乘估计。
由表2-4-3给出的数据，求出由（2-2-16）式由此可列出二元线性方程组将这个方程组写成矩阵形式，并通过初等变换求b1,b2和系数矩阵L的逆矩阵L-1:于是b1=-13.3854b2=0.16598b0=2.3323+13.385440-0.165981603.5=271.599因此下面对回归方程作显著性检验：由（2-2-43）式S回=由（2-2-42）式S总=S残=L yy- S回=0.2572将上述结果代入表2-2-2中制成方差分析表如下：表2-4-4方差分析表查F检验表，F0。
01（2，10）=7.56, F>F0.01(2 ,10)，说明回归方程是高度显著的。
下面对回归系数作显著性检验由前面的计算结果可知：b1=-13.3854b2=0.16598c11=51.125c22=7.991610-3由（2-2-54）式由（2-2-53）式检验结果说明的x一次及二次项对y都有显著影响。
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