机器学习之线性回归

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python在线性规划中的应用

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线性回归是机器学习中最基础的算法之一，其原理简单易懂，应用广泛。

回归分析（Regression Analysis）是统计学的数据分析方法，目的在于了解两个或多个变量间是否相关、相关方向与强度，并建立数学模型以便观察特定变量来预测其它变量的变化情况。

线性回归算法（Linear Regression）的建模过程就是使用数据点来寻找最佳拟合线。公式，y = mx + c，其中 y 是因变量，x 是自变量，利用给定的数据集求 m 和 c 的值。
线性回归又分为两种类型，即 简单线性回归（simple linear regression)，只有 1 个自变量；*多变量回归（multiple regression)，至少两组以上自变量。

一、线性回归算法概述

1.1 什么是线性回归？

线性回归是一种常见的监督学习算法，用于预测一个连续的输出变量（也称为响应变量或因变量）和一个或多个输入变量（也称为自变量）之间的关系。这种关系可以用一条直线的方程来表达。

1.2 线性回归算法原理

线性回归基于最小二乘法，即寻找一条直线最小化观测数据和线之间的平方误差和。该算法的目标是找到一条最佳拟合直线，使得每个观测值与拟合直线之间的距离最小。

线性回归模型的数学表达式如下：

$$Y={\beta }_0+{\beta }_1{X}_1+{\beta }_2{X}_2+\dots \dots +{\beta }_n\ast X_n$$

其中， $Y$ 是响应变量，$X_1$，$X_2$，……，$X_n$ 是自变量， ${\beta }_0，{\beta }_1，{\beta }_2，\dots \dots ，{\beta }_n$ 是模型的参数。

线性回归算法主要包括两个步骤：

寻找最佳拟合直线的参数 ${\beta }_0，{\beta }_1，{\beta }_2，\dots \dots ，{\beta }_n$。

使用模型对新的数据进行预测。

1.3 线性回归的应用场景

线性回归可以用于许多不同的领域，包括金融、经济学、营销、社会科学等。以下是一些可能的应用场景：

通过销售额和广告支出建立销售预测模型
分析股票市场的趋势和波动
将房价与房屋面积、地理位置等因素联系起来
预测医疗保健成本

二、线性回归算法Python实现

为了实现线性回归算法，我们需要将其转化为一个优化问题。我们需要使用机器学习库 scikit-learn 实现这个问题。下面是实现流程：

2.1 导入必要的库

在开始编写代码之前，我们需要导入一些必要的库，包括 pandas、numpy 和 sklearn 等。这些库使得我们可以轻松地进行数据处理、数学运算和模型训练。下面是导入库的代码示例：

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.linear_model import LinearRegression

2.2 随机生成数据集

在进行机器学习算法时，我们需要先准备合适的数据集。在这个例子中，我们使用一个包含房屋面积和价格的数据集。我们可以使用 pandas 库来加载数据集。下面是加载数据集的代码示例：

# 生成随机数据集
np.random.seed(0)  # 设置随机种子
X = np.random.rand(100, 1)
y = 2 + 3*X + np.random.randn(100, 1)

在上述代码中，我们使用 Pandas 的 read_csv() 方法从 CSV 文件中读取数据，并将其划分为输入变量（也称为特征）和输出变量。X 是包含所有输入变量的 NumPy 数组，y 是包含所有输出变量的一维 NumPy 数组。

2.3 拟合模型

接下来，我们需要创建一个 LinearRegression 对象并拟合模型。这个对象将用于训练模型和进行预测。下面是拟合模型的代码示例：

# 创建线性回归对象并拟合数据
reg = LinearRegression().fit(X, y)

上述代码中，我们创建了一个 LinearRegression 对象 regressor，并调用其 fit() 方法来拟合模型。这里的 fit() 方法会自动调整模型参数以最小化观测值和拟合直线之间的误差。

2.4 预测结果

有了拟合的模型后，我们就可以使用它来进行预测了。这里我们可以根据输入变量预测输出变量。下面是预测结果的代码示例：

# 预测新数据
X_new = np.array([[0.5]])
y_new = reg.predict(X_new)# 绘制数据散点图和拟合直线（使用 seaborn 库美化）
sns.set(style='whitegrid', font_scale=1.2)

在上述代码中，我们使用训练好的模型 regressor 来预测输出变量 y 的值。这里的 predict() 方法将根据输入变量 X 来返回相应的预测值 y_pred。

2.5 结果可视化

最后，在得到预测结果之后，我们可以将其可视化。这里我们使用 matplotlib 库来绘制散点图和拟合直线。下面是可视化结果的代码示例

plt.scatter(X, y, alpha=0.8, color='#3F7F4C')
plt.plot(X, reg.predict(X), color='#6D8F18', linewidth=2)
plt.grid(False)
plt.xlabel('xlabel',font)
plt.ylabel('ylabel',font)
plt.show()

在上述代码中，我们使用 matplotlib 库将原始数据绘制为散点图。然后，我们使用 predict() 方法计算出预测结果并绘制一条拟合直线。最后，我们添加一些标题和标签来说明图形内容，并使用 show() 方法展示图形。

三、完整代码

import numpy as np
from sklearn.linear_model import LinearRegression
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt# 生成随机数据集
np.random.seed(0)  # 设置随机种子
X = np.random.rand(100, 1)
y = 2 + 3*X + np.random.randn(100, 1)fig,ax = plt.subplots(figsize=(8,6),dpi=300)
plt.tick_params(labelsize=20)
labels = ax.get_xticklabels() + ax.get_yticklabels()
[label.set_fontname('Times New Roman') for label in labels]
font = {'family': 'Times New Roman','size': 24}
# font_1 = {'family': 'Times New Roman','size': 14}
plt.rcParams["font.family"] = "Times New Roman"  #全图字号新罗马字体# 创建线性回归对象并拟合数据
reg = LinearRegression().fit(X, y)# 预测新数据
X_new = np.array([[0.5]])
y_new = reg.predict(X_new)# 绘制数据散点图和拟合直线（使用 seaborn 库美化）
sns.set(style='whitegrid', font_scale=1.2)plt.scatter(X, y, alpha=0.8, color='#3F7F4C')
plt.plot(X, reg.predict(X), color='#6D8F18', linewidth=2)
plt.grid(False)
plt.xlabel('xlabel',font)
plt.ylabel('ylabel',font)
plt.show()# 
# 打印模型参数和预测结果
print('模型参数:', reg.coef_, reg.intercept_)
print('预测结果:', y_new)

本文对于Python实现线性回归算法进行了详细的介绍。首先，我们介绍了线性回归的概念和原理，然后介绍了它的应用场景。最后，我们使用 scikit-learn 库来实现了线性回归算法，并对结果进行了可视化。