Régression linéaire et méthodes de sa restauration

Régression linéaire et méthodes de sa restauration
Source : xkcd

La régression linéaire est l'un des algorithmes de base pour de nombreux domaines liés à l'analyse des données. La raison en est évidente. C'est un algorithme trÚs simple et compréhensible, ce qui favorise son large éventail d'applications depuis plusieurs décennies, voire des centaines d'années. L'idée est que nous supposons une dépendance linéaire d'une variable à un ensemble d'autres variables, puis nous tentons de reconstruire cette dépendance.

Cependant, cet article ne portera pas sur l'application de la rĂ©gression linĂ©aire pour rĂ©soudre des problĂšmes pratiques. Nous allons aborder les caractĂ©ristiques intĂ©ressantes de la mise en Ɠuvre d'algorithmes distribuĂ©s pour sa reconstruction, auxquelles nous avons Ă©tĂ© confrontĂ©s lors de l'Ă©criture du module d'apprentissage automatique dans Apache Ignite. Un peu de mathĂ©matiques de base, fondamentaux de l'apprentissage automatique et de l'informatique distribuĂ©e aideront Ă  comprendre comment reconstruire la rĂ©gression linĂ©aire, mĂȘme lorsque les donnĂ©es sont rĂ©parties entre des milliers de nƓuds.

De quoi s'agit-il ?

Nous sommes confrontĂ©s Ă  la tĂąche de restaurer une dĂ©pendance linĂ©aire. Comme donnĂ©es d'entrĂ©e, nous avons un ensemble de vecteurs supposĂ©ment indĂ©pendants, Ă  chacun desquels est associĂ© une certaine valeur d'une variable dĂ©pendante. Ces donnĂ©es peuvent ĂȘtre reprĂ©sentĂ©es sous forme de deux matrices :

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Maintenant, puisque nous supposons une dépendance, et encore plus qu'elle est linéaire, exprimons notre hypothÚse sous la forme d'un produit de matrices (pour simplifier l'écriture, ici et plus loin, il est supposé que le terme libre de l'équation est caché derriÚre Régression linéaire et méthodes de sa restauration, et la derniÚre colonne de la matrice Régression linéaire et méthodes de sa restauration contient des uns) :

Régression linéaire et méthodes de sa restauration

Cela ressemble beaucoup Ă  un systĂšme d'Ă©quations linĂ©aires, n'est-ce pas ? Cela y ressemble, mais cette systĂšme d'Ă©quations n'a probablement pas de solution. La raison en est le bruit, qui est prĂ©sent dans presque toutes les donnĂ©es rĂ©elles. Une autre raison peut ĂȘtre l'absence mĂȘme de dĂ©pendance linĂ©aire, contre laquelle on pourrait essayer de lutter en introduisant des variables supplĂ©mentaires, dĂ©pendant de maniĂšre non linĂ©aire des originales. ConsidĂ©rons l'exemple suivant :
Régression linéaire et méthodes de sa restauration
Source : Wikipedia

C'est un exemple simple de rĂ©gression linĂ©aire qui dĂ©montre la dĂ©pendance d'une variable (sur l'axe RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration) par rapport Ă  une autre variable (sur l'axe RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration). Pour qu'un systĂšme d'Ă©quations linĂ©aires tel que celui-ci ait une solution, tous les points doivent se situer exactement sur une mĂȘme droite. Mais ce n'est pas le cas. Ils ne sont pas sur une mĂȘme droite prĂ©cisĂ©ment Ă  cause du bruit (ou parce que l'hypothĂšse d'une dĂ©pendance linĂ©aire Ă©tait erronĂ©e). Ainsi, pour restaurer la dĂ©pendance linĂ©aire Ă  partir de donnĂ©es rĂ©elles, il est gĂ©nĂ©ralement nĂ©cessaire d'introduire une autre hypothĂšse: les donnĂ©es d'entrĂ©e contiennent du bruit et ce bruit a une distribution normale. On peut faire des hypothĂšses sur d'autres types de distributions du bruit, mais dans la grande majoritĂ© des cas, on considĂšre principalement la distribution normale, dont nous allons parler ci-dessous.

La méthode du maximum de vraisemblance

. Ainsi, nous avons supposé qu'il existe un bruit aléatoire distribué normalement. Que faire dans une telle situation ? En mathématiques, il existe et est largement utilisé la méthode du maximum de vraisemblance. En bref, son essence réside dans le choix de la fonction de vraisemblance et sa maximisation ultérieure.

Revenons à la restauration de la dépendance linéaire à partir de données avec du bruit normal. Notons que la dépendance linéaire supposée est l'espérance mathématique Régression linéaire et méthodes de sa restauration de la distribution normale existante. ParallÚlement, la probabilité que Régression linéaire et méthodes de sa restauration prenne une certaine valeur, étant donné l'existence d'observations Régression linéaire et méthodes de sa restauration, est la suivante :

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Remplaçons maintenant Régression linéaire et méthodes de sa restauration et Régression linéaire et méthodes de sa restauration par les variables dont nous avons besoin :

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Il ne reste plus qu'Ă  trouver le vecteur RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration, pour lequel cette probabilitĂ© est maximale. Pour maximiser une telle fonction, il est pratique de la logarifmer d'abord (le logarithme de la fonction atteindra un maximum au mĂȘme point que la fonction elle-mĂȘme) :

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Ce qui, Ă  son tour, revient Ă  minimiser la fonction suivante :

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Au fait, cela s'appelle la méthode des moindres carrés. Souvent, tous les raisonnements précédents sont omis et cette méthode est simplement utilisée.

Décomposition QR

Le minimum de la fonction mentionnĂ©e ci-dessus peut ĂȘtre trouvĂ© en trouvant le point oĂč le gradient de cette fonction est nul. Le gradient sera Ă©crit comme suit :

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DĂ©composition QR est une mĂ©thode matricielle de rĂ©solution du problĂšme de minimisation utilisĂ©e dans la mĂ©thode des moindres carrĂ©s. À cet Ă©gard, réécrivons l'Ă©quation sous forme matricielle :

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Ainsi, nous décomposons la matrice Régression linéaire et méthodes de sa restauration en matrices Régression linéaire et méthodes de sa restauration et Régression linéaire et méthodes de sa restauration et nous effectuons une série de transformations (l'algorithme QR ne sera pas abordé ici, seulement son utilisation dans le cadre du problÚme proposé) :

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La matrice Régression linéaire et méthodes de sa restauration est orthogonale. Cela nous permet d'éliminer le produit Régression linéaire et méthodes de sa restauration:

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Et si nous remplaçons RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration sur RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration, cela donnera RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration. Étant donnĂ© que RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration est une matrice triangulaire supĂ©rieure, cela se prĂ©sente comme suit :

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Cela peut ĂȘtre rĂ©solu par la mĂ©thode de substitution. L'Ă©lĂ©ment RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration se trouve comme RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration, l'Ă©lĂ©ment prĂ©cĂ©dent RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration se trouve comme RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration et ainsi de suite.

Il convient de noter que la complexité de l'algorithme obtenu grùce à l'utilisation de la décomposition QR est de Régression linéaire et méthodes de sa restauration. Bien que l'opération de multiplication de matrices se parallélise bien, il n'est pas possible d'écrire une version distribuée efficace de cet algorithme.

Descente de gradient

En parlant de la minimisation d'une certaine fonction, il est toujours utile de se rappeler de la mĂ©thode (stochastique) de descente de gradient. C'est une mĂ©thode simple et efficace de minimisation, basĂ©e sur le calcul itĂ©ratif du gradient de la fonction Ă  un point puis de son dĂ©calage dans la direction opposĂ©e au gradient. Chaque pas rapproche la solution du minimum. Le gradient reste le mĂȘme :

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De plus, cette mĂ©thode se parallĂ©lise et se distribue bien en raison des propriĂ©tĂ©s linĂ©aires de l'opĂ©rateur gradient. Notons que dans la formule ci-dessus, les termes sous le signe de somme sont indĂ©pendants. Autrement dit, nous pouvons calculer le gradient indĂ©pendamment pour tous les indices RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration de un Ă  RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration, parallĂšlement Ă  cela, calculer le gradient pour les indices de RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration Ă  RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration. Ensuite, nous additionnons les gradients obtenus. Le rĂ©sultat de l'addition sera le mĂȘme que si nous avions calculĂ© directement le gradient pour les indices de un Ă  RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration. Ainsi, si les donnĂ©es sont rĂ©parties entre plusieurs parties, le gradient peut ĂȘtre calculĂ© indĂ©pendamment sur chaque partie, puis les rĂ©sultats de ces calculs peuvent ĂȘtre additionnĂ©s pour obtenir le rĂ©sultat final :

Régression linéaire et méthodes de sa restauration

Du point de vue de l'implĂ©mentation, cela s'inscrit dans la catĂ©gorie MapReduce. À chaque Ă©tape de la descente de gradient, une tĂąche de calcul du gradient est envoyĂ©e Ă  chaque nƓud de donnĂ©es, puis les gradients calculĂ©s sont rassemblĂ©s et le rĂ©sultat de leur addition est utilisĂ© pour amĂ©liorer le rĂ©sultat.

MalgrĂ© la simplicitĂ© de mise en Ɠuvre et la possibilitĂ© d'exĂ©cution dans la paradigme MapReduce, la descente de gradient prĂ©sente Ă©galement des inconvĂ©nients. En particulier, le nombre d'Ă©tapes nĂ©cessaires pour atteindre la convergence est considĂ©rablement plus Ă©levĂ© par rapport Ă  d'autres mĂ©thodes plus spĂ©cialisĂ©es.

LSQR

LSQR — une autre mĂ©thode pour rĂ©soudre le problĂšme, qui convient tant Ă  la restauration de la rĂ©gression linĂ©aire qu'Ă  la rĂ©solution de systĂšmes d'Ă©quations linĂ©aires. Sa principale caractĂ©ristique est qu'elle combine les avantages des mĂ©thodes matricielles et de l'approche itĂ©rative. Des implĂ©mentations de cette mĂ©thode peuvent ĂȘtre trouvĂ©es dans des bibliothĂšques SciPy, ainsi que dans MATLAB.. La description de cette mĂ©thode ne sera pas prĂ©sentĂ©e ici (elle peut ĂȘtre trouvĂ©e dans l'article LSQR : Un algorithme pour les Ă©quations linĂ©aires successives et les moindres carrĂ©s dispersĂ©s). À la place, une approche sera dĂ©montrĂ©e pour adapter LSQR Ă  l'exĂ©cution dans un environnement distribuĂ©.

La méthode LSQR repose sur la procédure de bidiagonalisation. C'est une procédure itérative, chaque itération consistant en les étapes suivantes :
Régression linéaire et méthodes de sa restauration

Mais si l'on considĂšre que la matrice est RĂ©gression linĂ©aire et mĂ©thodes de sa restauration partitionnĂ©e horizontalement, alors chaque itĂ©ration peut ĂȘtre reprĂ©sentĂ©e sous la forme de deux Ă©tapes MapReduce. Cela permet de minimiser les transferts de donnĂ©es Ă  chaque itĂ©ration (seuls les vecteurs de longueur Ă©gale au nombre d'inconnues) :

Régression linéaire et méthodes de sa restauration

C'est cette approche qui est utilisĂ©e lors de la mise en Ɠuvre de la rĂ©gression linĂ©aire dans Apache Ignite ML.

Conclusion

Il existe de nombreux algorithmes pour restaurer la rĂ©gression linĂ©aire, mais tous ne peuvent pas ĂȘtre appliquĂ©s dans toutes les conditions. Ainsi, la dĂ©composition QR convient parfaitement pour une rĂ©solution prĂ©cise sur de petits ensembles de donnĂ©es. La descente de gradient est simple Ă  mettre en Ɠuvre et permet de trouver rapidement une solution approximative. Et LSQR combine les meilleures propriĂ©tĂ©s des deux algorithmes prĂ©cĂ©dents, car il peut ĂȘtre distribuĂ©, converge plus rapidement par rapport Ă  la descente de gradient, et permet Ă©galement un arrĂȘt prĂ©coce de l'algorithme, contrairement Ă  la dĂ©composition QR pour la recherche d'une solution approximative.

Source : habr.com

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