正则项浅析

发布网友 发布时间：2022-10-15 12:09

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热心网友 时间：2023-10-09 00:47

知识预备：范数
http://blog.csdn.net/shijing_0214/article/details/51757564

我们经常会听到正则项这个概念，通过查阅资料并且结合自己的理解对正则项做了一个简单的总结，首先，从问题出发：
（1）正则项存在的意义是什么，为什么要使用正则项？正则项是如何防止过拟合的？
（2）有哪几种正则项，如何表示，它们的相同点和不同点是什么？
（3）不同正则项的使用场景是什么，如何选取正则项呢？
下面就来一一的进行分析吧~~~~

先引入问题：
就拿斯坦福机器学习课程的例子来说，通过房子的面积来预测房价，建立回归方程来拟合样本数据

（一）为什么要使用正则项？
其实正则项是对参数的控制。那么为什么要控制参数呢，控制参数有什么好处呢？
（1）实现参数的稀疏，这样可以简化模型，避免过拟合。在一个模型中重要的特征并不是很多，如果考虑所有的特征都是有作用的，那么就会对训练集进行充分的拟合，导致在测试集的表现并不是很好，所以我们需要稀疏参数，简化模型。
（2）尽可能保证参数小一些，这又是为啥呢？因为越是复杂的模型，它会对所有的样本点进行拟合，如果在这里包含异常的样本，就会在小区间内产生很大的波动，不同于平均水平的高点或者低点，这样的话，会导致其导数很大，我们知道在多项式导数中，只有参数非常大的时候，才会产生较大的导数，所以模型越复杂，参数值也就越大。为了避免这种过度的拟合，需要控制参数值的大小。

（二）正则项的分类
正则项有三种：L0、L1、L2

L0正则化的值是模型参数中非零参数的个数。
L1正则化表示各个参数绝对值之和。
L2正则化标识各个参数的平方的和的开方值。

1、L0正则化
保证参数稀疏化来防止过拟合，可以用非零参数，来进行特征选择。但是L0正则化不好求，因此采用L1正则化。L1正则化是L0正则化的最优凸近似，比L0容易求解，并且可以实现稀疏的效果。

2、L1正则化
L1正则化也叫lasso，它往往是替代L0正则化来防止过拟合的。为啥用L1范数，因为L1范数就是各个参数的绝对值相加，我们已知，参数的值的大小和模型的复杂度是成正比的，因此复杂模型，L1范数就会大，导致损失函数大。下面定量的分析：
在原始的代价函数后面加上一个L1正则化项，即所有权重w的绝对值的和，乘以λ/n。如下：

​同样计算导数得：

上式中sgn(w)表示w的符号。那么权重w的更新规则为：​

现在来观察正则求导项，可知当w为正时，更新后的w变小；当w为负时，更新后的w变大。因此它的效果就是让w往0靠，使网络中的权重尽可能为0，也就相当于减小了网络复杂度，防止过拟合。另外，上面没有提到一个问题，当w为0时怎么办？当w等于0时，|w|是不可导的，所以我们只能按照原始的未经正则化的方法去更新w，这就相当于去掉η λ sgn(w)/n这一项，所以我们可以规定sgn(0)=0，这样就把w=0的情况也统一进来了。

3、L2正则化
L2正则化也是防止过拟合的，原因和L1一样一样的，就是形式不同。L2范数是各参数的平方和再求平方根。对于L2的每个元素都很小，但是不会为0，只是接近0，参数越小说明模型越简单，也就越不容易产生过拟合。L2正则化也叫做“岭回归”。

来让我们看看具体的例子，对于房屋价格预测我们可能有上百种特征，与刚刚所讲的多项式例子不同，我们并不知道 哪些是高阶多项式的项。所以，如果我们有一百个特征，我们并不知道如何选择关联度更好的参数，如何缩小参数的数目等等。因此在正则化里，我们要做的事情，就是把减小我们的代价函数（例子中是线性回归的代价函数）所有的参数值，因为我们并不知道是哪一个或哪几个要去缩小。因此，我们需要修改代价函数，在这后面添加一项，就像我们在方括号里的这项。当我们添加一个额外的正则化项的时候，我们收缩了每个参数。

为什么加了一项就让参数尽量小呢，因为只要你想让J最小，那么θ肯定尽可能的去小。

注意：这里我们没有去惩罚 θ0，实践中只会有较小的差异

λ 要做的就是控制惩罚项与均方差之间的平衡关系。
λ越大说明，参数被打压得越厉害，θ值也就越小

现在进行定量的分析：

L2正则化就是在代价函数后面再加上一个正则化项：

C0代表原始的代价函数，后面那一项就是L2正则化项，它是这样来的：所有参数w的平方的和，除以训练集的样本大小n。λ就是正则项系数，权衡正则项与C0项的比重。另外还有一个系数1/2，1/2经常会看到，主要是为了后面求导的结果方便，后面那一项求导会产生一个2，与1/2相乘刚好凑整。L2正则化项是怎么避免overfitting的呢？我们推导一下看看，先求导：

在不使用L2正则化时，求导结果中w前系数为1，现在w前面系数为 1-ηλ/n ，因为η、λ、n都是正的，在样本量充足的时候，1-ηλ/n小于1，它的效果是减小w，这也就是权重衰减的由来。当然考虑到后面的导数项，w最终的值可能增大也可能减小。

（三）lasso回归和ridge回归
下面我们来看两个对比图
（1）lasso
注意到L1正则化是权值的绝对值之和，J是带有绝对值符号的函数，因此J是不完全可微的。机器学习的任务就是要通过一些方法（比如梯度下降）求出损失函数的最小值。考虑二维的情况，即只有两个权值w1和w2，此时L=|w1|+|w2|，对于梯度下降法，求解J的过程可以画出等值线，同时L1正则化的函数L也可以在w1w2的二维平面上画出来。如下图：

在图中，当J等值线与L首次相交的地方就是最优解。上图中J与L在L的一个顶点处相交，这个顶点就是最优解。注意到这个顶点的值是(w1,w2)=(0,w)。可以直观想象，因为L函数有很多突出的角（二维情况下四个，*情况下更多），J与这些角接触的机率会远大于与L其它部位接触的机率，而在这些角上，会有很多权值等于0，这就是为什么L1正则化可以产生稀疏模型，进而可以用于特征选择。

（2）ridge
同理，假设有如下带L2正则化的损失函数，同样可以画出他们在二维平面上的图形，如下：

图2 L2正则化二维平面下L2正则化的函数图形是个圆，与方形相比，被磨去了棱角。因此J与L相交时使得w1或w2等于零的机率小了许多，这就是为什么L2正则化不具有稀疏性的原因。

总结：L1会趋向于产生少量的特征，而其他的特征都是0，而L2会选择更多的特征，这些特征都会接近于0。Lasso在特征选择时候非常有用，而Ridge就只是一种规则化而已。在所有特征中只有少数特征起重要作用的情况下，选择Lasso比较合适，因为它能自动选择特征。而如果所有特征中，大部分特征都能起作用，而且起的作用很平均，那么使用Ridge也许更合适。

参考文章：
http://blog.csdn.net/vividonly/article/details/50723852
http://blog.sina.com.cn/s/blog_8267db980102wryn.html
http://www.mamicode.com/info-detail-517504.html
http://www.2cto.com/kf/201609/545625.html
http://blog.csdn.net/zouxy09/article/details/24971995/