Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

O objetivo deste artigo é apoiar os iniciantes em ciência de dados. Nele, artigo anterior exploramos de forma simples três métodos para resolver a equação de regressão linear: solução analítica, descida de gradiente e descida de gradiente estocástica. Para a solução analítica, aplicamos a fórmula Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial. Neste artigo, como indica o título, vamos justificar a aplicação dessa fórmula ou, em outras palavras, derivá-la por conta própria.

Por que vale a pena prestar atenção especial à fórmula Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial?

É com a equação matricial que, na maioria das vezes, se inicia o aprendizado sobre regressão linear. No entanto, as deduções detalhadas de como a fórmula foi derivada são raramente apresentadas.

Por exemplo, nos cursos de aprendizado de máquina do Yandex, quando os alunos são introduzidos à regularização, eles são incentivados a usar funções da biblioteca sklearn, sem mencionar a representação matricial do algoritmo. É nesse momento que alguns alunos podem sentir a vontade de entender melhor essa questão — escrever o código sem usar funções prontas. E para isso, primeiro precisamos apresentar a equação com o regularizador em forma matricial. Este artigo é justamente para aqueles que desejam adquirir tais habilidades. Vamos começar.

Condições iniciais

Indicadores alvo

Temos uma série de valores de um indicador alvo. Por exemplo, o indicador alvo pode ser o preço de um ativo: petróleo, ouro, trigo, dólar, etc. Neste contexto, uma série de valores do indicador alvo se refere ao número de observações. Essas observações podem ser, por exemplo, os preços mensais do petróleo ao longo de um ano, o que nos dará 12 valores do indicador alvo. Começaremos a introduzir as notações. Vamos denotar cada valor do indicador alvo como Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial. No total, temos Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial observações, o que significa que podemos representar nossas observações como Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial.

Regressores

Vamos considerar que existem fatores que, de certa forma, explicam os valores do indicador-alvo. Por exemplo, a taxa da paridade dólar/rublo é fortemente influenciada pelo preço do petróleo, pela taxa do Fed, entre outros. Esses fatores são chamados de regressore. Portanto, cada valor do indicador-alvo deve corresponder a um valor do regressor, ou seja, se temos 12 indicadores-alvo para cada mês de 2018, também devemos ter 12 valores de regressore para o mesmo período. Vamos designar os valores de cada regressor através de Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial. Suponhamos que em nosso caso existam Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial regressores (ou seja, Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial fatores que influenciam os valores do indicador-alvo). Assim, nossos regressore podem ser representados da seguinte forma: para o 1º regressor (por exemplo, o preço do petróleo): Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, para o 2º regressor (por exemplo, a taxa do Fed): Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, para o "Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial-ésimo" regressor: Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

A dependência dos indicadores-alvo em relação aos regressores

Vamos supor que a dependência do indicador-alvo Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial em relação aos regressores "Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial-ésimo" pode ser expressa através da equação de regressão linear do tipo:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

, onde Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial — «Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial-ésimo" valor do regressor de 1 a Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial,

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial - número de regressores de 1 a Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial - coeficientes angulares que representam a magnitude com que o indicador-alvo calculado mudará, em média, ao alterar o regressor.

Em outras palavras, para cada (exceto Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial) regressor, determinamos seu "próprio" coeficiente Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, em seguida multiplicamos os coeficientes pelos valores dos regressores "Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial-ésimo" da observação, resultando em uma aproximação do "Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial-ésimo" indicador-alvo.

Portanto, precisamos encontrar coeficientes Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, para os quais os valores de nossa função aproximadora Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial estarão dispostos o mais próximo possível dos valores dos indicadores-alvo.

Avaliação da qualidade da função aproximadora

Vamos determinar a avaliação da qualidade da função aproximadora pelo método dos mínimos quadrados. A função de avaliação da qualidade, nesse caso, terá a seguinte forma:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Precisamos encontrar valores de coeficientes $w$, para os quais o valor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial será o menor.

Convertendo a equação para a forma matricial

Representação vetorial

Para começar, a fim de facilitar nosso trabalho, devemos prestar atenção à equação de regressão linear e notar que o primeiro coeficiente Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial não é multiplicado por nenhum regressor. Quando transformarmos os dados em forma matricial, essa circunstância complicará seriamente os cálculos. Nesse sentido, propõe-se introduzir mais um regressor para o primeiro coeficiente Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial e igualá-lo a um. Mais precisamente, cada "Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial-ésimo" valor desse regressor deve ser igual a um — pois, ao multiplicar por um, não teremos mudanças em termos de resultados dos cálculos, e, em termos das regras de multiplicação de matrizes, nossas dificuldades serão substancialmente reduzidas.

Agora, por um tempo, para simplificar o material, suponhamos que temos apenas uma "Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial-ésima" observação. Então, consideremos os valores dos regressors da "Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial-ésima" observação como um vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial. O vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial tem dimensão Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, ou seja, Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial linhas e 1 coluna:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Vamos representar os coeficientes procurados na forma de um vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, que tem dimensão Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

A equação de regressão linear para a "Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial-ésima" observação tomará a forma:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

A função de avaliação da qualidade do modelo linear tomará a forma:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Observamos que, de acordo com as regras de multiplicação de matrizes, precisamos transpor o vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial.

Representação matricial

Como resultado da multiplicação de vetores, obteremos um número: Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, que era o que se esperava. Este número é a aproximação do "Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial-ésimo" indicador alvo. Mas precisamos de uma aproximação não de um valor do indicador alvo, mas de todos. Para isso, escreveremos todos os "Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial-ésimos" regressors na forma de uma matriz Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial. A matriz resultante tem dimensão Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Agora a equação de regressão linear tomará a forma:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Vamos denotar os valores dos indicadores alvo (todos Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial) como um vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial com dimensão Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Agora podemos escrever a equação da avaliação da qualidade do modelo linear em formato matricial:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

De fato, dessa fórmula obtemos a fórmula que já conhecemos Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Como isso é feito? Expandem-se os parênteses, realiza-se a diferenciação, transformam-se as expressões obtidas etc., e é exatamente isso que faremos agora.

Transformações matriciais

Vamos expandir os parênteses

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Vamos preparar a equação para diferenciação

Para isso, faremos algumas transformações. Nos cálculos subsequentes, será mais conveniente que o vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial seja representado no início de cada produto na equação.

Transformação 1

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Como isso aconteceu? Para responder a essa pergunta, basta olhar para os tamanhos das matrizes multiplicadas e ver que a saída é um número ou, de outra forma, Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial.

Vamos registrar os tamanhos das expressões matriciais.

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Transformação 2

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Descreveremos de forma semelhante à transformação 1

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Na saída, obtemos a equação que precisamos diferenciar:
Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Diferenciamos a função de avaliação da qualidade do modelo

Diferenciaremos em relação ao vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Não deve haver perguntas sobre o porquê Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial , mas as operações para a definição das derivadas nas duas outras expressões vamos discutir com mais detalhes.

Diferenciação 1

Abriremos a diferenciação: Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Para definir a derivada de uma matriz ou vetor, precisamos olhar o que há dentro deles. Vamos dar uma olhada:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Denominaremos o produto de matrizes Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial por meio de uma matriz Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial. A matriz Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial é quadrada e, além disso, é simétrica. Essas propriedades serão úteis mais adiante, vamos nos lembrar delas. A matriz Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial tem dimensão Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Agora, nossa tarefa é multiplicar vetores pela matriz corretamente e não obter "duas vezes dois é cinco", portanto, vamos nos concentrar e ser extremamente cuidadosos.

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

No entanto, temos uma expressão elaborada! Na verdade, obtivemos um número — um escalar. E agora, finalmente, vamos passar à diferenciação. Precisamos encontrar a derivada da expressão obtida em relação a cada coeficiente Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial e obter um vetor de dimensão Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial. Apenas para garantir, descreverei os procedimentos passo a passo:

1) diferenciar em relação a Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, obteremos: Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

2) diferenciar em relação a Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, obteremos: Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

3) diferenciar em relação a Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, obteremos: Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Na saída — o vetor prometido de tamanho Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Se olharmos com mais atenção para o vetor, podemos notar que os elementos à esquerda e à direita correspondentes podem ser agrupados de tal forma que, no final, do vetor apresentado podemos destacar um vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial de tamanho Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial. Por exemplo, Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial (o elemento esquerdo da primeira linha do vetor) Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial (o elemento direito da primeira linha do vetor) pode ser representado como Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, e Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial — como Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial e assim por diante para cada linha. Vamos agrupar:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Vamos colocar o vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial e na saída obteremos:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Agora, vamos analisar a matriz resultante. A matriz é a soma de duas matrizes Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Lembremos que há algumas seções atrás, mencionamos uma propriedade importante da matriz Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial — ela é simétrica. Com base nessa propriedade, podemos afirmar com confiança que a expressão Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial é igual a Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial. Isso pode ser facilmente verificado, expandendo o produto de matrizes elemento por elemento. Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricialNão faremos isso aqui, quem desejar pode fazer a verificação por conta própria.

Voltando à nossa expressão. Após nossas transformações, ela ficou exatamente como queríamos vê-la:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Assim, conseguimos a primeira diferenciação. Vamos passar para a segunda expressão.

Diferenciação 2

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Vamos seguir o caminho já trilhado. Ele será muito mais curto que o anterior, então não se afaste muito da tela.

Vamos expor vetores e a matriz elemento a elemento:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Por enquanto, vamos retirar o dois das contas — ele não tem grande importância, depois o colocaremos de volta. Vamos multiplicar os vetores pela matriz. Primeiro, multiplicaremos a matriz Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial pelo vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial, aqui não temos nenhuma restrição. Obtivemos um vetor de tamanho Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Vamos realizar a próxima ação — multiplicar o vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial pelo vetor obtido. O resultado será um número:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

É esse que iremos diferenciar. O resultado será um vetor de dimensão Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial:

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Algo soa familiar? Isso mesmo! É o produto da matriz Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial pelo vetor Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial.

Dessa forma, a segunda diferenciação foi concluída com sucesso.

Em conclusão

Agora sabemos como surgiu a igualdade Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial.

Por fim, descreveremos um caminho rápido para as transformações das fórmulas principais.

Vamos avaliar a qualidade do modelo de acordo com o método dos mínimos quadrados:
Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Diferenciaremos a expressão obtida:
Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Apresentamos a equação de regressão linear na forma matricial

Literatura

Fontes da internet:

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

Livros e coleções de exercícios:

1) Resumo de aulas de matemática avançada: curso completo / D.T. Pismennyi – 4ª ed. – Moscovo: Airis-Press, 2006
2) Análise de regressão aplicada / N. Draper, G. Smith – 2ª ed. – Moscovo: Finanças e estatísticas, 1986 (tradução do inglês)
3) Tarefas sobre resolução de equações matriciais:
function-x.ru/matrix_equations.html
mathprofi.ru/deistviya_s_matricami.html


Fonte: habr.com

Compre hospedagem confiável para sites com proteção contra DDoS, servidores VPS VDS 🔥 Compre hospedagem confiável para sites com proteção contra DDoS, servidores VPS VDS | ProHoster