5.3一元线性回归实践
5.3.1一元线性回归简单实例
在前文我们引入了预测房价的例子，最后的模型是形如 ，那么笔者就先实现这个最简单的算法，使用的是最小二乘法进行求解计算，前文已经推导了。
为了便于编码，使用上述式子。代码如下。
# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib
matplotlib.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
matplotlib.rcParams['font.family'] = 'sans-serif'
matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 用来正常显示负号
"""
函数说明:求解参数
Parameters:
x,y
Returns:
ws - 系数
"""
def fitSLR(x,y):
#数据集长度
n=len(x)
dinominator = 0
numerator=0
for i in range(0,n):
numerator += (x[i]-np.mean(x))*(y[i]-np.mean(y))
dinominator += (x[i]-np.mean(x))**2
#print("numerator:"+str(numerator))
#print("dinominator:"+str(dinominator))
b1 = numerator/float(dinominator)
b0 = np.mean(y)/float(np.mean(x))
ws = np.mat([[b0], [b1]])
#返回系数
return ws
"""
函数说明:求解参数(矩阵的方式)
Parameters:
xMat - x数据集
yMat - y数据集
Returns:
ws - 回归系数
"""
def MatfitSLR(xArr, yArr):
#转化为MAT矩阵
xMat = np.mat(xArr); yMat = np.mat(yArr)
xTx = xMat.T * xMat #根据文中推导的公示计算回归系数
if np.linalg.det(xTx) == 0.0:
print("矩阵为奇异矩阵,不能求逆")
return
ws = xTx.I * (xMat.T*yMat)
print(ws)
return ws
"""
函数说明:预测数据
Parameters:
x,b0,b1
Returns:
预测值
"""
# y= b0+x*b1
def prefict(x, ws1):
return ws[0] + x*ws[1]
"""
函数说明:绘制回归曲线和数据点
Parameters
xArr, yArr,ws
Returns:
无
"""
def plotRegression(xArr, yArr,ws):
#创建xMat矩阵
xMat = np.mat(xArr)
#创建yMat矩阵
yMat = np.mat(yArr)
#深拷贝xMat矩阵
xCopy = xMat.copy()
xCopy.sort(0) #排序
#计算对应的y值
yHat = xCopy * ws
fig = plt.figure()
#添加subplot
ax = fig.add_subplot(111)
#绘制回归曲线
ax.plot(xCopy[:, 1], yHat, c = 'red')
ax.scatter(xMat[:,1].flatten().A[0], yMat.flatten().A[0], s = 20, c = 'blue',alpha = .5)
#绘制样本点
plt.title('DataSet') #绘制title
plt.xlabel('X')
plt.ylabel('Y')
plt.show()
#测试
if __name__ == '__main__':
## Step 1: load data...
print("Step 1: load data...")
x = [1,3,2,1,3]
y = [14,24,18,17,27]
xx = np.mat(x).T
m, n = xx.shape
# 将第一列为1的矩阵，与原X相连X.shape
X = np.concatenate((np.ones((m,1)), xx), axis=1)
#print(X)
#创建xMat矩阵
xMat = np.mat(X)
#创建yMat矩阵
yMat = np.mat(y).T
#print(xMat)
#print(yMat)
## Step 2: training...
print("Step 2: training...")
ws = fitSLR(x, y)
#矩阵求解参数
#ws = MatfitSLR(xMat,yMat)
## Step 3: testing...
print("Step 3: testing...")
y_predict = prefict(6, ws)
## Step 4: show the plot...
print("Step 4: show the plot...")
plotRegression(X, y ,ws)
## Step 5: show the result...
print("Step 5: show the result...")
print("y_predict:"+str(y_predict))
结果如下所示。
【完整代码参考附件1.LR_simple\LR_simple.py】
这个例子比较简单，在代码中笔者已经在关键处注释了，笔者也不在细说了，下面笔者将使用梯度下降来实现。
5.3.2一元线性回归实例详解
首先我们需要加载数据集，在加载数据集之前，先看看数据集的内容吧。
第一列都为1.0，即x0。第二列为x1，即x轴数据。第三列为x2，即y轴数据。首先绘制下数据，看下数据分布。编写代码如下。
# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib
matplotlib.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
matplotlib.rcParams['font.family'] = 'sans-serif'
matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 用来正常显示负号
"""
函数说明:读取数据
Parameters:
filename - 文件名
Returns:
xArr - x数据集
yArr - y数据集
"""
def loadDataSet(filename):
X = []
Y = []
with open(filename, 'rb') as f:
for idx, line in enumerate(f):
line = line.decode('utf-8').strip()
if not line:
continue
eles = line.split()
if idx == 0:
numFeature = len(eles)
# 将数据转换成float型
eles = list(map(float, eles))
# 除最后一列都是feature，append(list)
X.append(eles[:-1])
# 最后一列是实际值,同上
Y.append([eles[-1]])
# 将X,Y列表转化成矩阵
xArr = np.array(X)
yArr = np.array(Y)
return xArr,yArr
"""
函数说明:绘制数据集
Parameters:
无
Returns:
无
"""
def plotDataSet():
#加载数据集
xArr, yArr = loadDataSet('data.txt')
n = len(xArr) #数据个数
xcord = []; ycord = [] #样本点
for i in range(n):
xcord.append(xArr[i][1]); ycord.append(yArr[i]) #样本点
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111) #添加subplot
#绘制样本点
ax.scatter(xcord, ycord, s = 20, c = 'blue',alpha = .5)
plt.title('DataSet') #绘制title
plt.xlabel('X')
plt.ylabel('Y')
plt.show()
#测试
if __name__ == '__main__':
plotDataSet()
结果如下所示。
图5
通过可视化数据，我们可以看到数据的分布情况。接下来，以下定义cost function（代价函数）：
J ( θ 0 , θ 1 ) = 1 2 m ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) 2 J(\theta_0, \theta_1) = \frac{1}{2m} \sum_{i=1}^{m}(h_{\theta}(x^{(i)})-y^{(i)})^2 J(θ0,θ1)=2m1∑i=1m(hθ(x(i))−y(i))2
而
( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) 2 = ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) T ⋅ ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) (h_{\theta}(x^{(i)})-y^{(i)})^2 = (h_{\theta}(x^{(i)})-y^{(i)})^T \cdot (h_{\theta}(x^{(i)})-y^{(i)}) (hθ(x(i))−y(i))2=(hθ(x(i))−y(i))T⋅(hθ(x(i))−y(i))
即
[ ( y ^ ( 1 ) − y ( 1 ) ) ( y ^ ( 2 ) − y ( 2 ) ) ⋯ ( y ^ ( m ) − y ( m ) ) ] ⋅ [ ( y ^ ( 1 ) − y ( 1 ) ) ( y ^ ( 2 ) − y ( 2 ) ) ⋮ ( y ^ ( m ) − y ( m ) ) ] {\begin{bmatrix} (\hat{y}^{(1)}-y^{(1)}) & (\hat{y}^{(2)}-y^{(2)}) & \cdots & (\hat{y}^{(m)}-y^{(m)}) \\ \end{bmatrix}} \cdot {\begin{bmatrix} (\hat{y}^{(1)}-y^{(1)}) \\ (\hat{y}^{(2)}-y^{(2)}) \\ \vdots \\ (\hat{y}^{(m)}-y^{(m)}) \\ \end{bmatrix}} [(y^(1)−y(1))(y^(2)−y(2))⋯(y^(m)−y(m))]⋅⎣⎢⎢⎢⎡(y^(1)−y(1))(y^(2)−y(2))⋮(y^(m)−y(m))⎦⎥⎥⎥⎤
Python代码如下。
"""
函数说明:代价函数
Parameters:
theta, X, Y
Returns:
"""
def J(theta, X, Y):
'''定义代价函数'''
m = len(X)
return np.sum(np.dot((predict(theta,X)-Y).T, (predict(theta,X)-Y))/(2 * m))
接下来定义梯度下降（BGD）公式：
θ 0 : = θ 0 − α 1 m ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) \theta_0 := \theta_0 - \alpha \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)}) θ0:=θ0−αm1∑i=1m(hθ(x(i))−y(i))
θ 1 : = θ 1 − α 1 m ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) − y ( i ) ) ⋅ x ( i ) \theta_1 := \theta_1 - \alpha \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}(h_\theta(x^{(i)})-y^{(i)}) \cdot x^{(i)} θ1:=θ1−αm1∑i=1m(hθ(x(i))−y(i))⋅x(i)
Python代码如下所示。
# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
"""
函数说明:读取数据
Parameters:
filename - 文件名
Returns:
xArr - x数据集
yArr - y数据集
"""
def loadDataSet(filename):
X = []
Y = []
with open(filename, 'rb') as f:
for idx, line in enumerate(f):
line = line.decode('utf-8').strip()
if not line:
continue
eles = line.split()
if idx == 0:
numFeature = len(eles)
# 将数据转换成float型
eles = list(map(float, eles))
# 除最后一列都是feature，append(list)
X.append(eles[:-1])
# 最后一列是实际值,同上
Y.append([eles[-1]])
# 将X,Y列表转化成矩阵
xArr = np.array(X)
yArr = np.array(Y)
return xArr,yArr
"""
函数说明:代价函数
Parameters:
theta, X, Y
Returns:
"""
def J(theta, X, Y):
'''定义代价函数'''
m = len(X)
return np.sum(np.dot((predict(theta,X)-Y).T, (predict(theta,X)-Y))/(2 * m))
"""
函数说明:梯度下降求解参数
Parameters:
alpha, maxloop, epsilon, X, Y
Returns:
theta, costs, thetas
"""
def bgd(alpha, maxloop, epsilon, X, Y):
'''定义梯度下降公式，其中alpha为学习率控制步长，maxloop为最大迭代次数，epsilon为阈值控制迭代（判断收敛）'''
m, n = X.shape # m为样本数，n为特征数，在这里为2
# 初始化参数为零
theta = np.zeros((2,1))
count = 0 # 记录迭代次数
converged = False # 是否收敛标志
cost = np.inf # 初始化代价为无穷大
costs = [] # 记录每一次迭代的代价值
thetas = {0:[theta[0,0]], 1:[theta[1,0]]} # 记录每一轮theta的更新
while count<= maxloop:
if converged:
break
# 更新theta
count = count + 1
# 单独计算
#theta0 = theta[0,0] - alpha / m * (predict(theta, X) - Y).sum()
#theta1 = theta[1,0] - alpha / m * (np.dot(X[:,1][:,np.newaxis].T,(h(theta, X) - Y))).sum() # 重点注意一下
# 同步更新
#theta[0,0] = theta0
#theta[1,0] = theta1
#thetas[0].append(theta0)
#thetas[1].append(theta1)
# 一起计算
theta = theta - alpha / (1.0 * m) * np.dot(X.T, (predict(theta, X)-Y))
# X.T : n*m , h(theta, Y) : m*1 , np.dot(X.T, (predict(theta, X)- Y)) : n*1
# 同步更新
thetas[0].append(theta[0])
thetas[1].append(theta[1])
# 更新当前cost
cost = J(theta, X, Y)
costs.append(cost)
# 如果收敛，则不再迭代
if cost<epsilon:
converged = True
return theta, costs, thetas
#测试
if __name__ == '__main__':
X, Y = loadDataSet('data.txt')
alpha = 0.02 # 学习率
maxloop = 1500 # 最大迭代次数
epsilon = 0.01 # 收敛判断条件
resault = bgd(alpha, maxloop, epsilon, X, Y)
theta, costs, thetas = resault # 最优参数保存在theta中，costs保存每次迭代的代价值，thetas保存每次迭代更新的theta值
print(theta)
结果如下所示。
在前文我们根据上文中推导的回归系数计算方法，同样可以求出回归系数向量。接下来就是定义模型函数进行预测：
h θ ( x ) = θ 0 + θ 1 x h_\theta(x) = \theta_0 + \theta_1 x hθ(x)=θ0+θ1x
其中 h θ ( x ) h_\theta(x) hθ(x)为模型函数，用来预测； θ 0 \theta_0 θ0 , θ 1 \theta_1 θ1 为模型参数， θ 0 + θ 1 x \theta_0 + \theta_1 x θ0+θ1x为实际特征值； 可以看做是 θ 0 × 1 + θ 1 × x ( i ) , i = 1 , 2 , . . . , m \theta_0\times1 + \theta_1\times x^{(i)} , i = 1,2,...,m θ0×1+θ1×x(i),i=1,2,...,m ，表示共有 m m m个样本
即：
[ 1 x ( 1 ) 1 x ( 2 ) ⋮ ⋮ 1 x ( m ) ] ⋅ [ θ 0 θ 1 ] = [ y ( 1 ) y ( 2 ) ⋮ y ( m ) ] {\begin{bmatrix} 1 & x^{(1)} \\ 1 & x^{(2)} \\ \vdots & \vdots \\ 1 & x^{(m)} \\ \end{bmatrix}}\cdot {\begin{bmatrix} \theta_0 \\ \theta_1 \\ \end{bmatrix}} = {\begin{bmatrix} y^{(1)} \\ y^{(2)} \\ \vdots \\ y^{(m)} \\ \end{bmatrix}} ⎣⎢⎢⎢⎡11⋮1x(1)x(2)⋮x(m)⎦⎥⎥⎥⎤⋅[θ0θ1]=⎣⎢⎢⎢⎡y(1)y(2)⋮y(m)⎦⎥⎥⎥⎤
Python代码如下。
"""
函数说明:定义模型函数
Parameters:
theta, X
Returns:
返回预测后的结果
"""
def predict(theta, X):
return np.dot(X, theta) # 此时的X为处理后的X
根据回归系数向量绘制回归曲线。
"""
函数说明:绘制回归曲线和数据点
Parameters
xArr, yArr, ws
Returns:
无
"""
def plotRegression(xArr, yArr, ws):
xMat = np.mat(xArr) #创建xMat矩阵
yMat = np.mat(yArr) #创建yMat矩阵
xCopy = xMat.copy() #深拷贝xMat矩阵
xCopy.sort(0) #排序
yHat = xCopy * ws #计算对应的y值
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111) #添加subplot
ax.plot(xCopy[:, 1], yHat, c = 'red') #绘制回归曲线
ax.scatter(xMat[:,1].flatten().A[0], yMat.flatten().A[0], s = 20, c = 'blue',alpha = .5) #绘制样本点
plt.title('DataSet') #绘制title
plt.xlabel('X')
plt.show()
结果如下所示。
图2
绘制代价曲线。
"""
函数说明:绘制代价曲线
Parameters
X, Y, costs ,theta
Returns:
无
"""
def plotloss(X, Y, costs, theta):
# 以下为训练集的预测值
XCopy = X.copy()
XCopy.sort(0) # axis=0 表示列内排序
#print(XCopy[:,1].shape, yHat.shape, theta.shape)
# 找到代价值的最大值、最小值，便于控制y轴范围
print(np.array(costs).max(),np.array(costs).min())
plt.xlim(-1,1600) # maxloop为1500
plt.ylim(4,20)
plt.xlabel(u'迭代次数')
plt.ylabel(u'代价函数J')
plt.plot(range(len(costs)), costs)
结果如下。
图3 绘制梯度下降过程，代码如下。
"""
函数说明:绘制梯度下降过程
Parameters
X, Y, theta
Returns:
无
"""
def plotbgd(X, Y, theta):
#查看theta0的范围
print(np.array(thetas[0]).min(), np.array(thetas[0]).max())
#查看theta1的范围
print(np.array(thetas[1]).min(), np.array(thetas[1]).max())
# 准备网格数据，以备画梯度下降过程图
# matplotlib
size = 100
theta0Vals = np.linspace(-10,10, size)
theta1Vals = np.linspace(-2, 4, size)
JVals = np.zeros((size, size)) # 按照theta0Vals与theta1Vals 将JVals初始化为0
for i in range(size):
for j in range(size):
col = np.matrix([[theta0Vals[i]], [theta1Vals[j]]])
JVals[i,j] = J(col, X, Y)
theta0Vals, theta1Vals = np.meshgrid(theta0Vals, theta1Vals)
JVals = JVals.T
# 绘制3D代价函数图形
contourSurf = plt.figure()
ax = contourSurf.gca(projection='3d')
ax.plot_surface(theta0Vals, theta1Vals, JVals, rstride=2, cstride=2, alpha=0.3,
cmap=matplotlib.cm.rainbow, linewidth=0, antialiased=False)
ax.plot(theta[0], theta[1], 'rx')
ax.set_xlabel(r'$\theta_0$')
ax.set_ylabel(r'$\theta_1$')
ax.set_zlabel(r'$J(\theta)$')
结果如下所示。
图4
绘制代价函数等高线图，python代码如下。
"""
函数说明:绘制代价函数等高线图
Parameters
X, Y
Returns:
无
"""
def plotinline(X, Y):
# 准备网格数据，以备画梯度下降过程图
size = 100
theta0Vals = np.linspace(-10,10, size)
theta1Vals = np.linspace(-2, 4, size)
JVals = np.zeros((size, size)) # 按照theta0Vals与theta1Vals 将JVals初始化为0
for i in range(size):
for j in range(size):
col = np.matrix([[theta0Vals[i]], [theta1Vals[j]]])
JVals[i,j] = J(col, X, Y)
theta0Vals, theta1Vals = np.meshgrid(theta0Vals, theta1Vals)
JVals = JVals.T
# 绘制代价函数等高线图
#matplotlib inline
plt.figure(figsize=(12,6))
CS = plt.contour(theta0Vals, theta1Vals, JVals, np.logspace(-2,3,30), alpha=.75)
plt.clabel(CS, inline=1, fontsize=10)
# 绘制最优解
plt.plot(theta[0,0], theta[1,0], 'rx', markersize=10, linewidth=3)
# 绘制梯度下降过程
plt.plot(thetas[0], thetas[1], 'rx', markersize=3, linewidth=1) # 每一次theta取值
plt.plot(thetas[0], thetas[1], 'r-',markersize=3, linewidth=1) # 用线连起来
结果如下所示。
图5
以上是对回归数据的检验查看，那么如何判断拟合曲线的拟合效果的如何呢？当然，我们可以根据自己的经验进行观察，除此之外，来比较预测值和真实值的相关性。编写代码如下。
"""
函数说明:计算相关系数
Parameters
X, Y
Returns:
相关系数
"""
def computeCorrelation(X, Y):
xBar = np.mean(X)
yBar = np.mean(Y)
SSR = 0
varX = 0
varY = 0
for i in range(0 , len(X)):
diffXXBar = X[i] - xBar
diffYYBar = Y[i] - yBar
SSR += (diffXXBar * diffYYBar)
varX += diffXXBar**2
varY += diffYYBar**2
SST = math.sqrt(varX * varY)
return SSR / SST
【注】相关性计算可以使用numpy的corrcoef方法。
结果如下。
【完整代码参考附件 2. LR\LR_v1.0\LR_v1.0.py】
最佳拟合直线方法将数据视为直线进行建模，具有十分不错的表现。但是图6的数据当中好像拟合得不够理想，我们可以根据数据来局部调整预测，下面就会介绍这种方法。
局部加权线性回归
线性回归的一个问题是有可能出现欠拟合现象，因为它求的是具有最小均方误差的无偏估计。显而易见，如果模型欠拟合将不能取得最好的预测效果。所以有些方法允许在估计中引入一些偏差，从而降低预测的均方误差。
其中的一个方法是局部加权线性回归（Locally Weighted Linear Regression， LWLR）。在该算法中，我们给待预测点附近的每个点赋予一定的权重；然后在这个子集上基于最小均方差来进行普通的回归。与kNN一样，这种算法每次预测均需要事先选取出对应的数据子集。该算法解出回归系数 θ \theta θ的形式如下：
θ ^ = ( X T W X ) T X T W Y \hat{\theta}=(X^TWX)^TX^TWY θ^=(XTWX)TXTWY
其中 W W W是一个矩阵，用来给每个数据点赋予权重。
LWLR使用“核”（与支持向量机中的核类似）来对附近的点赋予更高的权重。核的类型可以自由选择，最常用的核就是高斯核，高斯核对应的权重如下：
这样我们就可以根据上述公式，编写局部加权线性回归，我们通过改变k的值，可以调节回归效果，编写代码如下：
"""
函数说明:绘制多条局部加权回归曲线
Parameters:
无
Returns:
无
"""
def plotlwlrRegression(xArr, yArr):
yHat_1 = lwlrTest(xArr, xArr, yArr, 1.0) #根据局部加权线性回归计算yHat
yHat_2 = lwlrTest(xArr, xArr, yArr, 0.01) #根据局部加权线性回归计算yHat
yHat_3 = lwlrTest(xArr, xArr, yArr, 0.003) #根据局部加权线性回归计算yHat
xMat = np.mat(xArr) #创建xMat矩阵
yMat = np.mat(yArr) #创建yMat矩阵
srtInd = xMat[:, 1].argsort(0) #排序，返回索引值
xSort = xMat[srtInd][:,0,:]
fig, axs = plt.subplots(nrows=3, ncols=1,sharex=False, sharey=False, figsize=(10,8))
axs[0].plot(xSort[:, 1], yHat_1[srtInd], c = 'red') #绘制回归曲线
axs[1].plot(xSort[:, 1], yHat_2[srtInd], c = 'red') #绘制回归曲线
axs[2].plot(xSort[:, 1], yHat_3[srtInd], c = 'red') #绘制回归曲线
axs[0].scatter(xMat[:,1].flatten().A[0], yMat.flatten().A[0], s = 20, c = 'blue', alpha = .5) #绘制样本点
axs[1].scatter(xMat[:,1].flatten().A[0], yMat.flatten().A[0], s = 20, c = 'blue', alpha = .5) #绘制样本点
axs[2].scatter(xMat[:,1].flatten().A[0], yMat.flatten().A[0], s = 20, c = 'blue', alpha = .5) #绘制样本点
#设置标题,x轴label,y轴label
axs0_title_text = axs[0].set_title(u'局部加权回归曲线,k=1.0')
axs1_title_text = axs[1].set_title(u'局部加权回归曲线,k=0.01')
axs2_title_text = axs[2].set_title(u'局部加权回归曲线,k=0.003')
plt.setp(axs0_title_text, size=8, weight='bold', color='red')
plt.setp(axs1_title_text, size=8, weight='bold', color='red')
plt.setp(axs2_title_text, size=8, weight='bold', color='red')
plt.xlabel('X')
plt.show()
"""
函数说明:使用局部加权线性回归计算回归系数w
Parameters:
testPoint - 测试样本点
xArr - x数据集
yArr - y数据集
k - 高斯核的k,自定义参数
Returns:
ws - 回归系数
"""
def lwlr(testPoint, xArr, yArr, k = 1.0):
xMat = np.mat(xArr); yMat = np.mat(yArr)
m = np.shape(xMat)[0]
weights = np.mat(np.eye((m))) #创建权重对角矩阵
for j in range(m): #遍历数据集计算每个样本的权重
diffMat = testPoint - xMat[j, :]
weights[j, j] = np.exp(diffMat * diffMat.T/(-2.0 * k**2))
xTx = xMat.T * (weights * xMat)
if np.linalg.det(xTx) == 0.0:
print("矩阵为奇异矩阵,不能求逆")
return
ws = xTx.I * (xMat.T * (weights * yMat)) #计算回归系数
return testPoint * ws
"""
函数说明:局部加权线性回归测试
Parameters:
testArr - 测试数据集
xArr - x数据集
yArr - y数据集
k - 高斯核的k,自定义参数
Returns:
ws - 回归系数
"""
def lwlrTest(testArr, xArr, yArr, k=1.0):
m = np.shape(testArr)[0] #计算测试数据集大小
yHat = np.zeros(m)
for i in range(m): #对每个样本点进行预测
yHat[i] = lwlr(testArr[i],xArr,yArr,k)
return yHat
结果如下所示。
图6
可以看到，当 k k k越小，拟合效果越好。但是当 k k k过小，会出现过拟合的情况，例如k等于0.003的时候。
【完整代码参考附件2.LR\LR_v1.1\LR_v1.1.py】
调用sklearn库实现线性回归
代码如下。
# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib
import math
from sklearn import linear_model
matplotlib.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
matplotlib.rcParams['font.family'] = 'sans-serif'
matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 用来正常显示负号
"""
函数说明:读取数据
Parameters:
filename - 文件名
Returns:
xArr - x数据集
yArr - y数据集
"""
def loadDataSet(filename):
X = []
Y = []
with open(filename, 'rb') as f:
for idx, line in enumerate(f):
line = line.decode('utf-8').strip()
if not line:
continue
eles = line.split()
if idx == 0:
numFeature = len(eles)
# 将数据转换成float型
eles = list(map(float, eles))
# 除最后一列都是feature，append(list)
X.append(eles[:-1])
# 最后一列是实际值,同上
Y.append([eles[-1]])
# 将X,Y列表转化成矩阵
xArr = np.array(X)
yArr = np.array(Y)
return xArr,yArr
"""
函数说明:绘制数据集
Parameters:
无
Returns:
无
"""
def plotDataSet(xArr, yArr):
n = len(xArr) #数据个数
xcord = []; ycord = [] #样本点
for i in range(n):
xcord.append(xArr[i][1]); ycord.append(yArr[i]) #样本点
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111) #添加subplot
#绘制样本点
ax.scatter(xcord, ycord, s = 20, c = 'blue',alpha = .5)
plt.title('DataSet') #绘制title
plt.xlabel('X')
plt.ylabel('Y')
plt.show()
"""
函数说明:定义模型函数
Parameters:
theta, X
Returns:
返回预测后的结果
"""
def predict(theta, X):
return np.dot(X, theta) # 此时的X为处理后的X
"""
函数说明:绘制回归曲线和数据点
Parameters
X, Y, theta
Returns:
无
"""
def plotRegression(X, Y, theta):
xMat = np.mat(X) #创建xMat矩阵
yMat = np.mat(Y) #创建yMat矩阵
xCopy = xMat.copy() #深拷贝xMat矩阵
xCopy.sort(0) #排序
yHat = xCopy * theta #计算对应的y值
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111) #添加subplot
ax.plot(xCopy[:, 1], yHat, c = 'red') #绘制回归曲线
ax.scatter(xMat[:,1].flatten().A[0], yMat.flatten().A[0], s = 20, c = 'blue',alpha = .5) #绘制样本点
plt.title('DataSet') #绘制title
plt.xlabel('X')
plt.ylabel('Y')
plt.show()
"""
函数说明:绘制回归曲线和数据点
Parameters
X, Y, theta
Returns:
无
"""
def plotRegression_new(X, Y, theta):
# 以下为训练集的预测值
XCopy = X.copy()
XCopy.sort(0) # axis=0 表示列内排序
yHat = predict(theta, XCopy)
#print(XCopy[:,1].shape, yHat.shape, theta.shape)
# 绘制回归直线
plt.title('DataSet') #绘制title
plt.xlabel(u'x')
plt.ylabel(u'y')
#绘制回归线
plt.plot(XCopy[:,1], yHat,color='r')
#绘制样本点
plt.scatter(X[:,1].flatten(), Y.T.flatten())
plt.show()
"""
函数说明:计算相关系数
Parameters
X, Y
Returns:
相关系数
"""
def computeCorrelation(X, Y):
xBar = np.mean(X)
yBar = np.mean(Y)
SSR = 0
varX = 0
varY = 0
for i in range(0 , len(X)):
diffXXBar = X[i] - xBar
diffYYBar = Y[i] - yBar
SSR += (diffXXBar * diffYYBar)
varX += diffXXBar**2
varY += diffYYBar**2
SST = math.sqrt(varX * varY)
return SSR / SST
#测试
if __name__ == '__main__':
## Step 1: load data...
print("Step 1: load data...")
X, Y = loadDataSet('data.txt')
#print(X.shape)
#print(Y.shape)
## Step 2: show plot...
print("Step 2: show plot...")
plotDataSet(X, Y)
## Step 3: Create linear regression object...
print("Step 3: Create linear regression object...")
#regr = linear_model.LinearRegression()
#岭回归
regr = linear_model.Ridge(alpha=0.5, copy_X=True, fit_intercept=True, max_iter=None,
normalize=False, random_state=None, solver='auto', tol=0.001)
## Step 4: training...
print("Step 4: training...")
regr.fit(X, Y)
## Step 5: testing...
print("Step 5: testing...")
X_predict = [1, 18.945]
# 到此，参数学习出来了，模型也就定下来了，若要预测新的实例，进行以下即可
Y_predict = regr.predict([X_predict])
## Step 6: show the result...
print("Step 6: show the result...")
#定义向量 w = (w_1,..., w_p) 作为 coef_ ，定义 w_0 作为 intercept_ 。
print("coef_:"+str(regr.coef_))
print("intercept_:"+str(regr.intercept_))
print("Y_predict:"+str(Y_predict))
w0 = np.array(regr.intercept_)
w1 = np.array(regr.coef_.T[1:2])
#合并为一个矩阵
theta = np.array([w0,w1])
print(theta)
## Step 7: show Regression plot...
print("Step 7: show Regression plot...")
#plotRegression(X, Y, theta)
plotRegression_new(X, Y, theta)
## Step 8: math Pearson...
print("Step 8: math Pearson...")
xMat = np.mat(X) #创建xMat矩阵
yMat = np.mat(Y) #创建yMat矩阵
yHat = predict(theta, xMat)
Pearson = computeCorrelation(yHat, yMat)
print(Pearson)
【完整代码参考附件2.LR\LR-sklearn_v2\LR-sklearn_v2.0.py】
结果如下所示。
参考文档：
英文文档链接
中文文档链接
参考实例：
英文链接
中文链接
好了，现在总结回归的一般方法：
(1) 收集数据：采用任意方法收集数据。
(2) 准备数据：回归需要数值型数据，标称型数据将被转成二值型数据。
(3) 分析数据：绘出数据的可视化二维图将有助于对数据做出理解和分析，在采用缩减法求得新回归系数之后，可以将新拟合线绘在图上作为对比。
(4) 训练算法：找到回归系数。
(5) 测试算法：使用R2或者预测值和数据的拟合度，来分析模型的效果。
(6) 使用算法：使用回归，可以在给定输入的时候预测出一个数值，这是对分类方法的提升，因为这样可以预测连续型数据而不仅仅是离散的类别标签。
参考文献：
[1]机器学习基础，(英)罗杰斯，(英)吉罗拉 著，郭茂祖 等译
[2]机器学习，周志华著
[3]机器学习实战
视频：
https://www.youtube.com/watch?v=gNhogKJ_q7U
https://www.youtube.com/watch?v=owI7zxCqNY0
本章参考代码
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