线性回归：机器学习的“Hello, World“
想要解决的问题
假设我们知道若干房子的面积以及对应的房价，那么如果随便告诉我们一套房子的面积，怎么才能知道这套房子最可能买多少钱呢？再假设我们知道了一些零件的使用时间和对应的维修费用，那么如果告诉我们一个零件的使用时间，我们要怎样推测出来对应的维修费用呢？没错，线性回归就是用来解决这些问题的，也就是通过拟合曲线来进行预测。
线性回归（Linear Regression）
线性回归大体分为三个部分，选择合适的模型（model），确定损失函数，梯度下降求解最优参数。
选择模型（Model）
首先我们要知道模型（model）是什么，在这个问题中，我们所说的model是指一个函数族。我们最终想要的结果，就是输入一个\(x\)，得到一个十分可信的输出\(\hat{y}\)，其实也就是找一个比较好的函数而已。问题是，这种函数可能有非常多，以单变量线性回归为例子，我们可以提出以下函数来进行拟合： \[ \begin{aligned} \hat{y} &= \theta_0 + \theta_1 x \\ \hat{y} &= \theta_0 + \theta_1 x + \theta_2 x^2\\ \hat{y} &= \theta_0 + \theta_1 x + \theta_2 x^2 + \theta_3 x^3\\ \vdots \end{aligned} \] 同样地，我们挑一个最简单的，也就是第一个函数。 \[ \hat{y} = \theta_0 + \theta_1 x \]
很显然，我们的最终目标就是找出\(\theta_0\)和\(\theta_1\)使得这个函数足够准确。那么问题又来了，我们要怎么样判断这个函数是否足够准确呢？
损失函数（Loss function）
我们在说准确这个词的时候，实际上是在讨论什么？是误差。足够准确，也就是说误差足够小。损失函数（Loss function）就是用来描述这个误差的。如果要衡量误差，直接用预测值减去实际值就可以得出来了，如下： \[ \delta = \hat{y} - y \] 对于单个数据点我们当然可以这样做，那对于一堆数据点呢？一个很简单的想法就是直接将多个点的误差相加，问题是如果正的误差和负的误差相加起来抵消掉了怎么办。比如我们现在测量一个5cm的木块，第一次测出来是4.9cm，此时的误差就是-0.1cm，第二次测出来是5.1cm，此时的误差就是0.1cm。两次误差加起来就是0了，那岂不是相当于没有误差？那么现在聪明的你应该会想到，可以用绝对值。没错，这确实是一个可以选择的方式，然而，在实际应用中，带有绝对值的变量往往在求导等操作上会有一点麻烦。所以我们选用另一种方法，就是把这个数平方，即： \[ \delta = (\hat{y} - y)^2 \] 同样，上式也是对一个数据点的计算，如果有多个数据点，假如一共有\(m\)个，直接相加的话，得到的就是所有数据点的误差之和了，但是当数据点非常多时，这个数字就变得很大了，为了方便计算，我们在前面再除以一个数据点的数量，也就得到了我们的损失函数（Loss function）： \[ L(\theta_0, \theta_1) = \frac{1}{m}\sum_{i=1}^m(\hat{y}^{(i)} - y)^2 \] （\(\hat{y}^{(i)}\)里的上标\((i)\)表示第\(i\)个数据点） 好的，那么现在我们会发现数学符号逐渐多了起来，但是没有关系，我们把整个过程捋一捋。
还记得我们的model吗？就是下面这个： \[ \hat{y} = \theta_0 + \theta_1 x \] 我们的任务是什么，就是找到最合适的\(\theta_0\)和\(\theta_1\)，使得上式可以取得较好的预测结果。怎么评估这种合适程度呢，我们将会用Loss函数来描述。不断改变\(\theta_0\)和\(\theta_1\)的值，利用手上已有的数据 \(\{ (x^{(1),} y^{(1)}), (x^{(2),} y^{(2)}), (x^{(3),} y^{(3)}), \dots, (x^{(m),} y^{(m)}) \}\)计算出Loss函数的值即可。那么什么时候才算是找到了最合适的\(\theta_0\)和\(\theta_1\)呢，显然，就是Loss函数最小的时候。误差最小就代表最准确，这是非常明显的。
那么接下来，我们会介绍一种求解\(\theta_0\)和\(\theta_1\)的最常用的方法，梯度下降法（Gradient Descent）。
梯度下降法（Gradient Descent）
经过高中数学的学习，想必大家都知道了导数的几何意义，在某一点的导数就等于过这一点切线的斜率，如下图所示：
显然，在\(x_1\)处的导数小于0，意味着在这个点的右边还有会使\(y\)更小的\(x\)值，暗示我们向右取值；相反地，在\(x_2\)处的导数大于0，意味着在这个点的左边有能使\(y\)更小的\(x\)值，暗示我们向左取值。所以就有如下的迭代策略： \[ \theta_j := \theta_j - \eta \frac{\partial}{\partial \theta_j}L(\theta_0, \theta_1) \ \ \ \ \ \ \ \ (j = 0, 1) \] 公式逐渐复杂了起来，不过问题不大，我们来分析一下各个参数的意义。
\(\theta_j\)：就是代指\(\theta_0\)和\(\theta_1\)
\(:=\)是赋值的意思，让左边的数等于右边的数
\(\eta\)：学习率（Learning
Rate），把降低Loss函数的过程比喻成下山，那么学习率\(\eta\)就是下山的步长，步子跨大了容易扯着蛋，步子跨大了就可能一步走到另外一边的上坡路去了，但是步子小了就会走得很慢。
\(\frac{\partial}{\partial \theta_j}L(\theta_0, \theta_1)\)：Loss函数对\(\theta_j\)的偏导，可以大概理解为其余变量为常数时，对单变量的导数。
总的来说，整个过程我们就是在变化\(\theta_0, \theta_1\)，利用训练集（Training Data）来让我们的“假想函数”与实际的差距越来越小。
求导公式
我们这里把Loss函数的形式写完整： \[ L(\theta_0, \theta_1) = \sum_{i=1}^m(\hat{y}^{(i)} - y)^2 = \sum_{i=1}^m(\theta_0+\theta_1x^{(i)}-y^{(i)})^2 \] 那么两个参数的偏导数就如下所示： \[ \frac{\partial}{\partial \theta_0}L(\theta_0, \theta_1)=\frac{2}{m} \sum_{i=1}^m(\theta_0+\theta_1x^{(i)}-y^{(i)}) \]
\[ \frac{\partial}{\partial \theta_1}L(\theta_0, \theta_1)=\frac{2}{m} \sum_{i=1}^m(\theta_0+\theta_1x^{(i)}-y^{(i)}) \cdot x^{(i)} \]
拓展（幂次）
Loss函数构造的思想依然是一样的，只是我们选取的model发生变化了，当然，也就意味着偏导数的形式也发生变化了。假设我们一开始选取的model如下： \[ \hat{y} = \theta_0 + \theta_1 x + \theta_2 x^2 + \dots + \theta_n x^n \] 那么偏导数的形式变为： \[ \frac{\partial}{\partial \theta_0}L(\theta_0, \theta_1, \dots, \theta_n)=\frac{2}{m} \sum_{i=1}^m(\theta_0+\theta_1x^{(i)}+\dots + \theta_n x^{(i)n}-y^{(i)}) \]
\[ \frac{\partial}{\partial \theta_j}L(\theta_0, \theta_1, \dots, \theta_n)=\frac{2}{m} \sum_{i=1}^m(\theta_0+\theta_1x^{(i)}+\dots + \theta_n x^{(i)n}-y^{(i)})\cdot x^{(i)j} \]
其中\(j\)取\(1, 2, \dots, n\).