A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A cikk célja, hogy támogatást nyújtson a kezdő adatkutatóknak. Ebben előző cikkben három megoldási módszert tártunk fel a lineáris regressziós egyenlethez: analitikai megoldás, gradiens lejtős, és stochasztikus gradiens lejtős. Az analitikai megoldás esetén alkalmaztuk a következő képletet A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk. Ebben a cikkben, ahogyan a cím is sugallja, megindokoljuk ennek a képletnek a használatát, vagy más szóval, magunk fogjuk levezetni.

Miért érdemes fokozott figyelmet fordítani a képletre A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk?

A lineáris regresszióval való ismerkedés a legtöbb esetben a mátrix egyenlettel kezdődik. E közben a képlet levezetésének részletes leírása ritkán található.

Például a Yandex gépi tanulási kurzusain, amikor a résztvevőket a regularizációval ismerkednek, javasolják, hogy használják a tensorflow, ennek ellenére egy szót sem említenek az algoritmus mátrixos ábrázolásáról. Ebben a pillanatban néhány résztvevőben felmerülhet a vágy, hogy jobban megértse ezt a kérdést - kódot írni kész funkciók használata nélkül. Ehhez először a regularizálóval ellátott egyenletet mátrixos formában kell bemutatni. Ez a cikk pontosan ezt a tudást kívánja nyújtani. Kezdjünk.

Kezdő feltételek

Célértékek

Van egy sor célértékünk. Például a célérték lehet egy aktíva ára: olaj, arany, búza, dollár stb. Ezen belül a célérték sorozataként a megfigyelések számát értjük. Ezek a megfigyelések például a havi olajárak egy évre vonatkozóan, így összesen 12 célértékünk lesz. Kezdjük megjelölni a jelöléseket. Az egyes célértékeket jelöljük mint A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk. Összesen A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk megfigyelésünk van, ezért a megfigyeléseinket úgy lehet bemutatni, mint A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk.

regresszorok

Tekintsük úgy, hogy léteznek olyan tényezők, amelyek bizonyos mértékben magyarázzák a célmutató értékeit. Például a dollár/rubel árfolyamát erősen befolyásolja a kőolaj ára, a Fed kamatlába és így tovább. Ezeket a tényezőket regresszoroknak nevezzük. Minden célmutató értékének meg kell felelnie egy regresszor értékének, azaz ha 2018-ban 12 célmutatónk van minden hónapra, akkor 12 regresszor értékkel is kell rendelkeznünk ugyanarra az időszakra. Jelöljük meg a regresszorok értékeit a következőképpen A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk. Tegyük fel, hogy a mi esetünkben van A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk regresszor (azaz A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk tényezők, amelyek hatással vannak a célmutató értékeire). Tehát a regresszorainkat a következőképpen írhatjuk le: az 1. regresszor (például a kőolaj ára): A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk, a 2. regresszor (például a Fed kamatláb): A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk, a "A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk-ik" regresszor esetén: A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A célmutatók és a regresszorok közötti kapcsolat

Tegyük fel, hogy a célmutató A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk a regresszorok "A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk-ik" megfigyelés esetében kifejezhető egy lineáris regresszió egyenletén keresztül:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

, ahol A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk — «A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk-ik" regresszor értéke 1-től A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk,

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk -ig, regresszorok száma 1-től A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk -ig, az emelkedési együtthatók, amelyek azt az értéket képviselik, amellyel a számított célmutató átlagosan megváltozik a regresszor változása esetén.

Más szóval, minden (kivéve A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk) regresszornál meghatározzuk a "saját" együtthatónkat A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk, majd a regresszorok "A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk-ik" megfigyelésének értékeire szorozzuk az együtthatókat, így egy bizonyos megközelítést kapunk a "A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk-ik" célmutatóra.

Következésképpen olyan együtthatókat kell találni, A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk, amelyeknél a megközelítő függvényünk A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk a célmutatók értékeihez a lehető legközelebb helyezkedik el.

A megközelítő függvény minőségi értékelése

A megközelítő függvény minőségi értékelését a legkisebb négyzetek módszerével határozzuk meg. A minőségi értékelés funkció ilyen esetben a következő formát ölti:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Olyan $w$ együttható értékeket kell találnunk, amelyeknél az érték A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk a lehető legkisebb.

A egyenletet mátrix alakra alakítjuk

Vektoriális reprezentáció

Először is, hogy megkönnyítsük a dolgunkat, figyeljük meg a lineáris regresszió egyenletét, és vegyük észre, hogy az első együttható A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk nem szorozható meg egy regresszorral sem. Ebből a szempontból, amikor az adatokat mátrix formájába fordítjuk, a fenti körülmény megnehezíti a számításokat. Ennek kapcsán javasolt bevezetni egy új regresszort az első együtthatóhoz. A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk és egyenlővé tenni egyesével. Pontosabban, ezt a regresszort minden egyes „A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk-edik” értékét összhangba hozzuk az egyesre – hiszen ha egyesre szorozzuk, az eredményt tekintve nem változik semmi, de a mátrixszorzás szabályai szerint jelentősen csökkenthetjük szenvedéseinket.

Most, egy időre, a matériát egyszerűsítve, feltételezzük, hogy csak egy „A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk-edik” megfigyelésünk van. Ekkor a „A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk-edik” megfigyelés regresszorainak értékeit egy vektor formájában képzeljük el. A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzukA vektor A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk dimenzióval rendelkezik, azaz A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuksorok és 1 oszlop: A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk Az igényelt együtthatókat vektor formájában képzeljük el,

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

ami dimenzióval rendelkezik. A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzukA lineáris regresszió egyenlete az „ A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

-edik” megfigyelés számára így néz ki:A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzukA lineáris modell minőségi értékelésének funkciója így alakul:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Figyeljük meg, hogy a mátrixok szorzásának szabályai szerint szükség volt a vektor transzponálására.

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Mátrixes ábrázolás A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk.

A vektorok szorzásának eredményeként számot kapunk:

, ami elvárható volt. Ez a szám a „ A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk-edik” célt mutató érték közelítését jelenti. De nekünk nem egyetlen céleredmény közelítése kell, hanem mind. Ehhez rögzítenünk kell minden „A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk-edik” regresszort mátrix formátumban.A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzukA kapott mátrix dimenzióval rendelkezik. A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzukMost a lineáris regresszió egyenlete így alakul: A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Jelöljük a célt mutató értékeket (mind

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

) vektorral, amely dimenzióval rendelkezik. A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzukMost már a lineáris modell minőségi értékelésének egyenletét felírhatjuk mátrix formában: A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk Tulajdonképpen ebből a formulából nyerjük az ismert formulát, A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Hogyan történik ez? Az zárójelek kiértékelése, deriválás, a kapott kifejezések átalakítása, és így tovább, éppen ezeken fogunk most dolgozni.

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Mátrixes átalakítások A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Tárjuk fel a zárójeleket.

Készítsük elő az egyenletet a deriváláshoz.

Ehhez néhány átalakítást végezzünk el. A további számításokban kényelmesebb lesz, ha a vektor

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

minden egyes szorzás elején szerepel az egyenletben.

1. átalakítás A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk a mű minden részében fel fog bukkanni az egyenletben.

Átalakítás 1

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Hogyan történt? A kérdés megválaszolásához elegendő megnézni a megszorozandó mátrixok méretét, és látni, hogy a kimeneten számot kapunk, vagyis A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk.

Rögzítsük a mátrix kifejezések méreteit.

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Átalakítás 2

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Hasonlóan az 1. átalakításhoz dolgozzuk ki.

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A kimeneten kapott egyenletet kell differenciálnunk:
A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A modell minőségének értékelési funkcióját differenciáljuk.

Differenciáljunk a vektor szerint. A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Kérdések, miért A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk nem merülnek fel, de a két másik kifejezés deriválási műveleteit részletesebben megvizsgáljuk.

Differenciálás 1

Hajtsuk végre a differenciálást: A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Ahhoz, hogy meghatározzuk a mátrix vagy vektor deriváltját, meg kell néznünk, mi van bennük. Nézzük:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Jelöljük a mátrixok szorzatát A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk a mátrix által. A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzukA mátrix A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk négyzetes és ráadásul szimmetrikus. Ezek a tulajdonságok később jól jönnek, jegyezzük meg őket. A mátrix A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk dimenzióval rendelkezik, azaz A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Most a feladatunk az, hogy helyesen szorozzunk vektorokat a mátrixszal, és ne kapjunk 'kettő szorozva kettő az öt', ezért koncentráljunk és legyünk nagyon figyelmesek.

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Azonban, bonyolult kifejezést kaptunk! Valójában számot kaptunk — skalárt. Most pedig, igazán, áttérünk a differenciálásra. Meg kell találni a kapott kifejezés deriváltját minden egyes együtthatóra A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk és kimenetként egy A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzukdimenziójú vektort kell kapnunk. Minden esetre írom le az eljárásokat:

1) differenciáljunk a A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk, kapjuk: A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

2) differenciáljunk a A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk, kapjuk: A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

3) differenciáljunk a A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk, kapjuk: A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A kimenet — ígért vektor mérete A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Ha alaposan megnézzük a vektort, észrevehetjük, hogy a bal és a hozzá tartozó jobb vektor elemeket úgy csoportosíthatjuk, hogy végül a bemutatott vektorból kiemelhetünk egy A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk méretű vektort A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk. Például, A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk (a vektor felső sorának bal oldali eleme) A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk (a vektor felső sorának jobb oldali eleme) úgy alakítható, mint A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk, és A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk — mint A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk stb. minden sorra. Csoportosítsuk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Kivesszük a vektort A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk és kimenetként kapjuk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Most nézzük meg a kapott mátrixot. A mátrix két mátrix összegét képviseli A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Emlékezzünk, hogy nemrégiben kiemeltünk egy fontos mátrix-tulajdonságot A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk — szimmetrikus. E tulajdonság alapján biztosan kijelenthetjük, hogy a kifejezés A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk egyenlő A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzukEz könnyen ellenőrizhető, ha elemenként megnyitjuk a mátrixok szorzatát. A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzukNem fogjuk ezt itt megtenni, aki szeretné, az végezhet önállóan ellenőrzést.

Térjünk vissza a kifejezésünkhöz. A transzformációink után olyan lett, amilyennek szerettük volna látni:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Tehát, az első differenciálás sikerült. Lépjünk a második kifejezésre.

Második differenciálás

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Követjük a bevált utat. Sokkal rövidebb lesz, mint az előző, úgyhogy ne távolodjatok el a képernyőtől.

Elemről elemre bővítsük a vektorokat és a mátrixot:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Most egy időre eltávolítjuk a számításokból a kettest — nem játszik olyan nagy szerepet, később visszatesszük. Szorozzuk meg a vektorokat a mátrixszal. Először a mátrixot A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk a vektorral A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk, itt nincsenek korlátaink. Olyan vektort kapunk, amelynek mérete A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Végezzük el a következő lépést — szorozzuk meg a vektort A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk a kapott vektorral. Az eredményül egy számot kapunk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Azt fogjuk differenciálni. A kimenet egy bizonyos dimenziójú vektort ad. A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk:

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Valami ismerős? Pontosan! Ez a mátrix szorzata. A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk a vektorral A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk.

Így második differenciálásunk sikeresen befejeződött.

Összegzésként

Most már tudjuk, hogyan jött létre az egyenlet. A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk.

Végül felvázoljuk az alapképletek átalakításának gyors módját.

Értékeljük a modellt a legkisebb négyzetek módszere szerint:
A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Differenciáljuk a kapott kifejezést:
A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

A lineáris regresszió egyenletét mátrix formába hozzuk

Irodalom

Internet források:

1) habr.com/ru/post/278513
2) habr.com/ru/company/ods/blog/322076
3) habr.com/ru/post/307004
4) nabatchikov.com/blog/view/matrix_der

Tankönyvek, feladatgyűjtemények:

1) Előadások jegyzete a magasabb matematikából: teljes kurzus / D.T. Píszmeni - 4. kiadás - M.: Ajrisz-press, 2006
2) Alkalmazott regresszióelemzés / N. Drejper, G. Smith - 2. kiadás - M.: Pénzügyek és statisztika, 1986 (angolból fordítva)
3) Mátrixegyenletek megoldásának feladatai:
function-x.ru/matrix_equations.html
mathprofi.ru/deistviya_s_matricami.html


Forrás: habr.com

Megbízható hosting vásárlása weboldalak számára, DDoS védelemmel, VPS VDS szerverek. 🔥 Megbízható webtárhely vásárlása DDoS védelemmel, VPS VDS szerverek | ProHoster