【理解机器学习算法】之岭回归Ridge - L2 Rgularization

Ridge 回归（Ridge Regression）也称作岭回归或脊回归，是一种专用于共线性数据分析的有偏估计回归方法。在多元线性回归中，如果数据集中的特征（自变量）高度相关，也就是说存在共线性(Multicollinearity)，那么模型参数估计将变得不稳定，输出结果的方差会非常大。Ridge 回归通过在损失函数中增加一个正则项来解决这个问题。

Ridge 回归的损失函数包括两部分：数据的预测误差和一个与系数大小相关的正则化项。该正则化项是系数的L2范数乘以一个称为 `alpha` 的参数。Ridge 回归的目标是最小化以下的损失函数：

这里：
- 表示预测误差，即实际观测值与模型预测值之间差的平方和。
- 是系数向量的L2范数的平方，也就是各系数平方和。
- 是正则化强度，控制着正则化项的大小。

正则化参数 `alpha` 决定了你想对模型系数的大小施加多大的惩罚。`alpha` 的值越大，对系数的惩罚越重，系数越倾向于变小，模型的复杂度就越低，这有助于防止模型过拟合。相反，如果 `alpha` 设得太小，正则化的效果就会弱，可能不能有效地处理共线性(Multicollinearity)问题。

Ridge 回归的系数 \( \beta \) 可以通过解析方法得到，计算公式为：

其中是单位矩阵。

在实践中，Ridge 回归特别适用于当你有很多相互关联的预测变量时，因为它会保留所有的预测变量，但是会减小变量的系数，使模型对数据中的随机误差不那么敏感。

由于正则化，Ridge 回归能够提高模型的泛化能力，但同时也会引入一定的偏差。因此，选择合适的 `alpha` 值是应用Ridge回归的关键。这通常通过交叉验证来完成，目标是找到可以使交叉验证误差最小化的 `alpha` 值。

import numpy as np# 定义 Ridge 回归函数
def ridge_regression(X, y, alpha):# 为特征矩阵增加一列全为1的截距项X = np.concatenate((np.ones((X.shape[0], 1)), X), axis=1)# 计算与特征数量相同大小的单位矩阵（包括截距项）# 并且不对截距项进行正则化处理I = np.eye(X.shape[1])I[0, 0] = 0  # 不对截距项进行正则化# 使用 Ridge 回归公式计算系数beta = np.linalg.inv(X.T @ X + alpha * I) @ X.T @ yreturn beta# 示例用法：
# 假设 X_train 是您的特征矩阵，y_train 是您的目标向量
# alpha 是您选择的正则化参数
# beta = ridge_regression(X_train, y_train, alpha)# 注意在应用 ridge 回归之前应当对 X_train 进行标准化处理（每个特征的均值为0，方差为1）

使用sklearn

以下是用 Python 中的 sklearn 使用 Ridge 回归的方法:

from sklearn.linear_model import Ridge
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.metrics import mean_squared_error
import numpy as np# 假设你有一个数据集 `X` 和 `y`# 将数据集分割成训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)# 标准化特征
scaler = StandardScaler()
X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train)
X_test_scaled = scaler.transform(X_test)# 使用 alpha 值初始化 Ridge 回归模型
ridge_model = Ridge(alpha=1.0)  # 你可以根据需要调整 alpha 值# 拟合模型
ridge_model.fit(X_train_scaled, y_train)# 使用模型进行预测
y_pred = ridge_model.predict(X_test_scaled)# 计算均方误差
mse = mean_squared_error(y_test, y_pred)
print(f'均方误差: {mse}')# 系数
print(f'系数: {ridge_model.coef_}')# 截距
print(f'截距: {ridge_model.intercept_}')

记住选择正确的 alpha 值是非常关键的。更高的 alpha 值增加了正则化的量，这可以防止过拟合，但也可能导致欠拟合。交叉验证技术，如 sklearn 中的 RidgeCV，可以帮助找到最优的 alpha 值。

下图显示了选择不同的alpha对回归系数的影响：

在图中：
- 蓝色点代表 `alpha=1` 时模型的系数。
- 橙色点对应 `alpha=14` 时的系数。
- 绿色点显示 `alpha=100` 时的系数。

随着 `alpha` 值的增加，Ridge 回归更加强调保持系数的小幅度，我们通常期望系数的绝对值会减少，这通常表现为点在 y 轴上向零靠近。这有助于减少模型的复杂性并防止过拟合。

从图中可以清楚地看出，随着 `alpha` 从1增加到100，系数缩小向零收敛，这与增加 Ridge 回归中正则化强度的效果一致。水平轴代表系数的索引。

使用GridSearchCV找到最佳的alpha

使用 sklearn 的 GridSearchCV 进行 Ridge 回归的方法如下，我们需要定义一个 alpha 值范围，在这个范围内找到最佳的alpha，然后对参数网格进行交叉验证的网格搜索。以下是 Python 中的操作方法：

from sklearn.linear_model import Ridge
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.pipeline import make_pipeline
from sklearn.metrics import mean_squared_errorfrom sklearn.model_selection import train_test_split# 准备数据，将其分割为训练集和测试集，必要时进行标准化。使用 make_pipeline 确保标准化是交叉验证过程的一部分，避免数据泄漏。
# 假设 `X` 是特征矩阵，`y` 是目标向量
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)# 定义参数网格，指定希望搜索的 alpha 值的范围
param_grid = {'ridge__alpha': [0.01, 0.1, 1, 10, 100]}# 创建一个包含标准化和 Ridge 回归模型的流水线。这里的 'ridge' 是在流水线中引用 Ridge 回归模型的名称
pipeline = make_pipeline(StandardScaler(), Ridge())# 使用流水线、参数网格和交叉验证的折数初始化 GridSearchCV
grid_search = GridSearchCV(pipeline, param_grid, cv=5, scoring='neg_mean_squared_error')# 在训练数据上拟合 GridSearchCV
grid_search.fit(X_train, y_train)# 拟合后，可以检查找到的最佳 alpha 值和相应的分数
print(f'最佳 alpha: {grid_search.best_params_}')
print(f'最佳分数: {grid_search.best_score_}')# 使用最佳估计器进行预测并评估它们
y_pred = grid_search.best_estimator_.predict(X_test)mse = mean_squared_error(y_test, y_pred)
print(f'测试集上的均方误差: {mse}')

记得将 X、y 和 alpha 范围替换为实际的数据和想要测试的特定值。GridSearchCV 将系统地进行多种参数组合的调整，交叉验证结果，并确定哪种调整提供了最佳性能。

画出系数变化路径：

在 Ridge 和 Lasso回归等线性模型中，“系数路径”（Coefficient Paths）这个术语指的是模型系数作为正则化强度参数（通常在 Ridge 中表示为、在 Lasso 中表示为 的函数的轨迹。随着正则化强度的增加，系数的绝对值倾向于减小，有些可能达到零（尤其是在 Lasso 中，它可以引入稀疏性）。

系数路径的重要性

1. 解释性：它们提供了洞察，让我们了解随着模型变得更加正则化，每个特征的重要性是如何变化的。这有助于理解特征的稳定性和相关性。
2. 模型选择：通过可视化系数路径，您可以更好地理解正则化对您的模型的影响，并选择适当的正则化水平或，该水平平衡了偏差和方差，可能使用交叉验证等技术。
3. 特征选择：在 Lasso 回归的情况下，系数路径可以帮助进行特征选择，因为随着 的增加，系数较早归零的特征被认为是不那么重要的。

如何生成系数路径

要生成系数路径，您通常需要在一个广泛的范围内变化正则化参数，对每个值拟合模型，跟踪系数如何变化。这可以通过折线图可视化，其中 x 轴代表正则化参数的值（通常在对数尺度上），y 轴代表系数的值。

使用 `sklearn`

在 Python 的 `sklearn` 库中，您可以使用 `Ridge` 和 `Lasso` 等模型以及像 `RidgeCV` 或 `LassoCV` 这样的工具进行交叉验证选择正则化参数。尽管 `sklearn` 没有直接提供绘制系数路径的函数，但您可以通过手动记录用不同的 或 值拟合的模型的系数来轻松生成它们。

这里提供了使用 Ridge 回归的一个基本示例。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.linear_model import Ridge
from sklearn.preprocessing import StandardScaler# Assuming X and y are your features and target variable
# Standardize features
scaler = StandardScaler()
X_scaled = scaler.fit_transform(X)# Define a range of alpha values
alphas = np.logspace(-6, 6, 300)# Initialize list to store coefficients
coef_paths = []for alpha in alphas:ridge = Ridge(alpha=alpha)ridge.fit(X_scaled, y)coef_paths.append(ridge.coef_)# Convert list of coefficients into a numpy array for easier plotting
coef_paths = np.array(coef_paths)# Plotting
for i in range(coef_paths.shape[1]):plt.plot(alphas, coef_paths[:, i])plt.xscale('log')
plt.xlabel('Alpha')
plt.ylabel('Coefficients')
plt.title('Coefficient Paths')
plt.show()