机器学习-线性回归（最大似然估计）

机器学习任务可以分为两类: 一类是样本的特征向量 𝒙 和标签 𝑦 之间存在未知的函数关系𝑦 = h(𝒙)，另一类是条件概率𝑝(𝑦|𝒙)服从某个未知分布。最小二乘法是属于第一类，直接建模 𝒙 和标签 𝑦 之间的函数关系。此外，线性回归还可以从建模条件概率 𝑝(𝑦|𝒙) 的角度来进行参数估计。

一、最大似然估计的概念

在统计学和机器学习中，最大似然估计（Maximum Likelihood Estimation，简称 MLE）是一种用于估计模型参数的方法，其核心思想是：在给定观测数据的情况下，选择使得数据出现概率最大的模型参数。

在线性回归中，最大似然估计（MLE）通过假设目标变量服从正态分布，将参数估计问题转化为最大化数据出现的概率。

最大似然估计是一种参数估计方法，其核心思想是选择参数使得观测数据出现的概率最大。也就是说，在给定数据的情况下，找到最有可能生成这些数据的参数值。这需要先假设数据服从某种概率分布，然后构建似然函数，最后通过优化方法找到使似然函数最大化的参数。

二、模型假设 - 构建对数似然函数

这里我们回顾一下高斯分布为：

假设目标变量 y 与特征 x 的关系为：

在线性回归模型中，假设我们有一组观测数据：

其中 x_i​ 是输入特征，y_i 是对应的输出。

在这种假设下，y_i 也服从均值为 w^Tx_i、方差为 σ2 的正态分布。

因此，单个观测值 y_i 的概率密度函数为：

由于观测值之间相互独立，整个数据集的似然函数是各个观测值概率密度函数的乘积：

这里用到的对数函数的性质，由乘积转换为求和：

更具体的形式为：

三、对参数求导并求解

1.对数似然函数关于 w 求偏导数：

2.令上述偏导数等于零，得到：

3.求解最优参数 w： 将上述方程整理为矩阵形式：

其中，X 是包含所有自变量的设计矩阵，y 是包含所有因变量的向量。

解得最优参数 w：

可以看出，最大似然估计的解和最小二乘法的解相同.

通过上述步骤，可以使用最大似然估计方法求解线性回归模型的最优参数 w。

需要注意的是，以上推导假设误差项 ϵ 服从正态分布，这使得似然函数具有上述形式。 在实际应用中，虽然误差项不一定严格服从正态分布，但在样本量足够大的情况下，参数估计的性质仍然良好。

四、第三步中，方程整理为矩阵形式的推导：

定义设计矩阵 X 为：

定义因变量向量 y 为：

定义参数向量 w 为：

则偏导数的矩阵形式为：

五、关于指数函数（exp）的说明：

在线性回归模型中，指数函数（exp）通常用于逻辑回归等模型中，以确保模型输出符合概率的要求。

在逻辑回归中，模型的输出是一个概率值，表示某个事件发生的可能性。

为了将线性组合的结果（如 w^Tx）转换为概率值，使用了sigmoid函数，其形式为：

通过应用指数函数，sigmoid函数将线性输出转换为0到1之间的概率值。

这使得模型的输出符合概率分布的性质，且增强了大值之间的相对差异，从而使得更大可能性的类别在概率上更具优势。

需要注意的是，线性回归模型本身并不直接使用指数函数。

在逻辑回归等模型中，指数函数的使用是为了确保模型输出符合概率的要求。

在最大似然估计的过程中，使用对数似然函数来简化计算。

通过对数变换，将乘积转化为求和，从而使得优化过程更加方便。

这也是为什么在一些机器学习算法中，会看到对某项加上exp的原因。

一方面，exp函数确保每个因子是正的；另一方面，通过对数变换，累乘关系转化为累加关系，优化过程变得更加简便。