Решение для параметров регрессии в закрытом виде против градиентного спуска


72

В курсе машинного обучения Эндрю Нг он знакомит с линейной регрессией и логистической регрессией и показывает, как подобрать параметры модели с использованием градиентного спуска и метода Ньютона.

Я знаю, что градиентный спуск может быть полезен в некоторых приложениях машинного обучения (например, обратное распространение), но в более общем случае есть какая-либо причина, по которой вы не решите параметры в закрытой форме, т. Е. Взяв производную от функция стоимости и решение с помощью исчисления?

В чем преимущество использования итеративного алгоритма, такого как градиентный спуск, по сравнению с решением в замкнутой форме в целом, когда оно доступно?


9
Я не думаю, что есть закрытое решение для MLE параметров регрессии в большинстве случаев (например, логистическая регрессия). Линейная регрессия с нормальными ошибками является одним исключением.
— Макрос

5
Интересно ... Означает ли это, что разные пакеты статистики могут давать разные ответы для логистической регрессии в зависимости, например, от начальных настроек параметров, количества итераций, нескольких локальных минимумов и т. следовать? (Хотя я уверен, что любые различия, если они существуют, в большинстве случаев незначительны)
— Джефф

3
(+1) К твоему вопросу и твоему комментарию, Джефф. GLM, использующие каноническую связь (например, логистическую регрессию), извлекают выгоду из приятных свойств выпуклости. Для решения таких проблем может быть более одного алгоритма, но основной итог этого заключается в том, что (по модулю некоторых довольно незначительных деталей), хорошо реализованные численные алгоритмы будут давать согласованные результаты между ними.
— кардинал

2
Мне лично не нравится курс Эндрю Нга, потому что он заставил людей поверить, что линейная регрессия - это «машинное обучение».
— Digio

Ответы:


86

Если решение для закрытой формы чрезвычайно дорого для вычисления, оно обычно является подходящим вариантом, когда оно доступно. Тем не мение,

  1. Для большинства задач нелинейной регрессии не существует решения в замкнутой форме.

  2. Даже в случае линейной регрессии (один из немногих случаев, когда доступно решение в закрытой форме), использование формулы может быть нецелесообразным. В следующем примере показан один из способов, которым это может произойти.

Для линейной регрессии на модели вида , где - матрица с полным рангом столбца, решение наименьших квадратов,y=XβX

β^=arg⁡min‖Xβ−y‖2

дан кем-то

β^=(XTX)−1XTy

Теперь представьте, что - очень большая, но разреженная матрица. Например, может иметь 100 000 столбцов и 1 000 000 строк, но только 0,001% записей в отличны от нуля. Существуют специализированные структуры данных для хранения только ненулевых записей таких разреженных матриц. XXX

Также представьте, что нам не повезло, и - довольно плотная матрица с гораздо более высоким процентом ненулевых записей. Хранение плотной матрицы размером 100 000 на 100 000 элементов тогда потребует чисел с плавающей запятой (при 8 байтах на число, это составляет 80 гигабайт.) Это было бы нецелесообразно хранить на чем-либо но суперкомпьютер. Кроме того, обратная сторона этой матрицы (или чаще фактор Холецкого) также имеет тенденцию иметь в основном ненулевые записи. XTXXTX1×1010

Однако, есть итерационные методы для решения задачи наименьших квадратов , которые не требуют больше памяти , чем , , и и никогда явно не образуют произведение матриц . Xyβ^XTX

В этой ситуации использование итеративного метода намного эффективнее в вычислительном отношении, чем использование решения в форме наименьших квадратов в замкнутой форме.

Этот пример может показаться нелепо большим. Тем не менее, большие разреженные задачи наименьших квадратов такого размера обычно решаются итерационными методами на настольных компьютерах в исследованиях сейсмической томографии.


4
Я должен упомянуть, что есть также проблемы с числовой точностью, которые могут сделать использование замкнутого решения проблемы наименьших квадратов нецелесообразным. Тем не менее, это потребовало бы обсуждения плохой обусловленности, которая, вероятно, выходит за рамки нынешнего понимания оригинального плаката.
— Брайан Борчерз

17
Пожалуйста, не стесняйтесь написать ответ, потому что вы не думаете, что я его пойму. Во-первых, не повредит предоставить больше информации, даже если мне понадобятся некоторые исследования, чтобы понять это. во-вторых, модель стека обмена предполагает, что этот вопрос и ответ пойдут на пользу другим в будущем. Другими словами, не выкладывайте свой ответ на основании того, насколько, по вашему мнению, знает ОП, иначе вы окажете плохую услугу другим.
— Джефф

2
@ Брайан, я чувствую, что твой комментарий подходит ближе к сути вопроса и немного расходится с первым предложением в ответе. Я не думаю, что какое - либо программное обеспечение наименьших квадратов (в здравом уме) использует решение в закрытой форме. :)
— кардинал

4
Кардинал - на практике лучше всего использовать QR-факторизацию или SVD для решения небольших задач наименьших квадратов. Я бы сказал, что решение, использующее одну из этих ортогональных факторизаций, также является «решением в замкнутой форме» по сравнению с использованием итерационной техники, такой как LSQR. Я не стал вдаваться в это в своем ответе, потому что он излишне отвлекает внимание от моей основной мысли.
— Брайан Борчерс

2
Жестокое кондиционирование? Учебник закрытой формы решения? Я люблю запах квадратов состояния по утрам. Есть большой номер условия? Почему бы не возвести в квадрат и сделать его еще больше? У вас не очень большой номер состояния? Почему бы не возвести это в квадрат и не сделать его большим.
— Марк Л. Стоун

2

Было несколько постов по машинному обучению (ML) и регрессу. ML не требуется для решения обычных наименьших квадратов (OLS), поскольку он включает одношаговую матричную операцию сэндвича для решения системы линейных уравнений - т.е. . Тот факт, что все является линейным, означает, что для определения коэффициентов требуется только одношаговая операция. Логистическая регрессия основана на максимизации функции правдоподобия , которая может быть решена с помощью Ньютона-Рафсона или других методов градиентного подъема ML, метаэвристики (восхождение на гору, генетические алгоритмы, интеллект роя, оптимизация колонии муравьев и т. Д.) , β=(XTX)−1XTyL=∏ipi

Что касается экономии средств, использование ML для OLS было бы расточительным, потому что итеративное обучение неэффективно для решения OLS.

Теперь вернемся к вашему реальному вопросу о подходах к производным и ML к решению градиентных задач. В частности, для логистической регрессии обычно используется подход градиентного спуска Ньютона-Рафсона (на основе производных). Ньютон-Рафсон требует, чтобы вы знали целевую функцию и ее частные производные по каждому параметру (непрерывный в пределе и дифференцируемый). ML в основном используется, когда целевая функция слишком сложна («изначально») и вы не знаете производных. Например, искусственная нейронная сеть (ANN) может использоваться для решения проблемы аппроксимации функции или контролируемой задачи классификации, когда функция неизвестна. В этом случае ИНС является функцией.

Не делайте ошибку, используя методы ML для решения проблемы логистической регрессии, просто потому, что вы можете. Для логистики Ньютон-Рафсон чрезвычайно быстр и является подходящим методом для решения проблемы. ML обычно используется, когда вы не знаете, что это за функция. (кстати, ИНС из области вычислительного интеллекта, а не ОД).

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.