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≪统计学习精要(The Elements of Statistical Learning)≫课堂笔记(十三)

本学期最后一堂课的笔记...就这样,每周上班的时候都没有惦念的了,我是有多么喜欢教室和课堂呀。或者说,真的是太习惯学校的生活方式了吧...

这一节主要是在上一节的基础上,介绍一些可加模型或者树模型的相关(改进)方法。

MARS

MARS全称为Multivarible Adaptive Regression Splines,看名字就能猜出来大致他是做啥的。MARS这家伙与CART一脉相承(话说CART的竞争对手就是大名鼎鼎的C4.5)。不过,还是先说一下MARS到底是怎么玩的吧。

数据集依旧记作,然后就是splines的思想:我们定义,其中,画出图形来就是:

mars1

这样就可以定义I函数了:,以及,越来越有spines味道了是不是?

之后就是定义f函数:,然后有意思的就来了:中函数或者几个函数的乘积,选定了之后我们就可以用最小二乘法来求解相应的了。然后在接下来的每一步,我们都添加这样,一步步的,就开始增长。当我们用完了之后,显然有

over-fit的嫌疑,所以开始逐步的减少一些——考虑移除那些对减少残差平方和贡献比较小的项目。沿着cross-validation的思路,就可以定义函数

PRIM

PRIM的全称为Patient Rule Induction Method,呃看名字貌似是一种比较耐心的一步步递归的方法。果不其然,最开始就是我们要先定义“削皮”:选取区间内任意的,比如0.1,然后开始削皮~削皮的策略大概就是,选定一个维度,去掉这个维度比如最大10\%或者最小10\%的样本,然后看剩余部分的y均值有没有增长。总共有p个维度,所以我们有中削皮法。选择其中上升最高的方法,削皮。然后继续来一遍,直到不能再增长的时候,停止,最终得到一块“精华”(贪心的算法)。之后,我们又要开始粘贴,即再贴上去一块儿,看看是否能涨。这样我们得到一个区,区域均值为

从总体中扔掉这区中的样本,然后继续做下去,比如一共J次,得到J个区域(这些区域的空间可能是有交集的),这样的策略称为Bump-Hunting(肿块寻找),最终得到若干个区域,各区域中的样本均值作为(以第一次出现的空间为准)。

HME

HME的全称为Hierarchical Mixture of Experts,听起来像是一个智囊团的感觉。画出来呢,就是一个树的形状。

hme

大致的思想就是,以概率分配到各个枝条(软分类器),这样有。对于最下面一层的expert

net,可以用分类树或者其他任何的分类器。对于HME,可用EM算法来解。两类的情形,就有,有点像logit的变形有没有?

一句话的总结呢,就是这些方法看上去合理,比较容易follow the intuition,但是树类的结构弄得很难用现有的方法证明原理和一些相关性质(完全非线性呀)。

模型的总结:广义线性模型和基函数模型

从第一章到第九章,我们探索了很多个模型。说到底,模型就是,然后我们有参数模型,其中

最简单的来说,就是线性模型,形式为,其中。显然,线性模型便是参数模型。

然后就是广义线性模型(GLM),我们可以先扩张x,就有。说到底,就是已知的把数据从空间映射到一个新的空间。然后还可以把y再广义化,用一个可逆的已知函数变成。这样,就有,最终说来这两个空间实现了一种线性的映射关系。

接下来我们就会看到一种形状很类似的树模型,但不是GLM:。显然这里远非线性的,而且是变量。

接着参数化,我们就有,若未知,即可变,则非GLM。这类的模型更适合的名字是:自适应基函数模型,即我们试图构造一些可以自适应的基函数,然后通过其线性组合构造最终的模型。这类模型经典如:树模型、GMM(高斯混合模型)、神经网络等。

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≪统计学习精要(The Elements of Statistical Learning)≫课堂笔记(八)

平滑splines

有数据集,然后定义目标函数,记为(1)

式。然后我们有如下结论:使(1)最小化的解一定是分段三次多项式。

证明如下。

为函数族上的分段三次多项式(splines),且在首尾两段上是一次多项式,那么他一定有的自由度。

,则当时,有

(2) 我们设也是(1)式的解,则下面证明一定能找到使得目标函数比小,则,

.

(3)记,则

(4) 下面我们证明,(两者内积为0),即

所以得到

(5)有了上述结论后,我们有,然后有,所以对于所有的g,我们都有其二阶导数的范数小于f的二阶导数的范数,故在(1)式中代入g总比代入f大(或者相等)。这样我们就把一个无限维的最优化问题变为了有限维。

子波分析

1. 函数的平移与缩放

平移:

缩放:

组合起来就是。由此,对于每个,我们可以定义一个函数族,写成矩阵形式就是

2. Hoar函数

(1)定义:

(2)Hoar函数的平滑与缩放。定义Hoar函数族为,

。这样我们每个为一组(胖瘦一样)。

定理1(正交):平方可积函数的一个正交基,即对于任意的,有

定理2(增长):随着d的增加,张成的闭子空间逐渐增大,且。这样,d比较小的函数一定能用d比较大的函数(正交基)来表示,比如。直观的理解就是,d越大,分辨率越高。

定理3(完备):

(3)定义,使,或者

(4)定义,然后

定理4:函数族,,则亦为完备基,且,如果。也就是说,之间的空间随着d的增加,彼此正交,且所有的叠起来之后亦为完备空间。

如此,我们称为子波(mother)而为father函数。注意,这里Hoar函数非连续。

在更一般的场合,我们寻找为father函数,然后定义,满足(正交),且(增长),(完备)。

再寻找mother函数满足(同层次内正交)、(相邻层次正交补)和完备。

这样的到底存不存在呢?实证结论是存在,而且很多,不过坏消息是他们的形式都不算简单。

spline和子波分析

spline和子波分析都提供了一组线性基底,其线性组合可以定义函数类。由此,我们可以定义广义线性模型的函数族,为统计学习模型的函数族做约束。

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≪统计学习精要(The Elements of Statistical Learning)≫课堂笔记(七)

例行的废话。刚刚看了一下Google Analytics里面的统计,那篇七天搞定SAS果然不负众望的摘得了(单篇博文)点击量桂冠。意外的是居然有那么多人会点击到“关于我”这个页面...呃,对我这么好奇么?

2 /learning-sas-in-7-days-1/
3 /coursera上的r语言课程/
4 /r会议小记/
5 /使用lyxxetex编译中文tex和输出中文pdf/
6 /中文文本聚类小尝试(text-clustering-in-r)/
7 /me/
8 /?统计学习精要the-elements-of-statistical-learning?课堂笔记(一)/
9 /快速将word的doc文件转为latex!/
10 /?统计学习精要the-elements-of-statistical-learning?课堂笔记(三)/

不过他的后续就比较悲催了,点击量寥寥。然后还不出意外的,weibo超越google成为了流量来源第一:

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果然最近墙发威比较厉害...google啊google...

另外,出乎意料的是一些旧文反而受欢迎,哎~还好看到《统计学习精要(The Elements of Statistical Learning)》课堂笔记系列一直有点击,也算是这一系列写的比较值得吧。今天继续。

----------------笔记开始-----------------

貌似是第五章,不过老师一直在讲一些非常基础的数学预备工具:基展开与正则化,其中用到泛函概念若干。我不知道该开心呢,还是不开心呢,还是开心呢,毕竟泛函学过,毕竟泛函忘得也差不多了...

1. 预备知识

在P维欧氏空间内,我们定义两个运算:加法(x+y)和数乘(),然后定义一下函数空间:上的平方可积函数,同样的定义加法和数乘:f+g和).

接下来还有若干概念...呜呼:

  • 线性组合:
  • 线性独立
  • 线性子空间:我们可以定义线性子空间, , 有.
  • 维数

这些概念连上运算加法和数乘一起,构成线性空间。进一步的,我们可以定义内积空间:

  • 内积:(离散)或连续
  • 之后的正交就很容易定义了:或者
  • 还可以定义正交基...
  • 还有正交子空间:
  • 正交补: , 使得,比如最简单的二维空间里面,X轴和Y轴...
  • 范数:

有了范数以后,我们就可以进一步的定义极限:如果 , 则 ;或者连续的,

然后就是闭子空间的概念了:如果 ,且 ,则必有 ,即极限点都在空间内。注,在有限维空间内,只有空集和全集既开又闭。

还有完备基...总之大致的就是一步步的:定义内积 ->; 内积空间 ->; 存在可数的完备正交基 ->; Hilbert空间(有限维完备空间)

2.B-splines(样条)

2.1 定义

B-splines更多的是一种用离散逼近连续的感觉...好吧我承认我是完全的没有接触过这个东西,扫盲中...

首先,我们有一个闭区间[a,b],然后有个点聚集在其中,且依次增大。然后我们就可以定义一个函数集合: ,然后对于d=0 ,定义分段函数 ,然后就可以递归的定义

举个例子呢,就有. 这样下去,有:

  • d=0,0阶的时候,只有一段函数上有非零值;
  • d=1,1阶的时候,有两段函数有非零值;
  • d=2,2阶的时候,有三段函数有非零值...

2.2 性质

  • 性质一: 是分段的d次多项式;
  • 性质二:局部性:, 当 或者
  • 性质三:光滑:是d-1阶光滑的多项式,即d-1阶导数都等于0;
  • 性质四:如果某一函数满足性质三,则必然和只相差一个常数因子。

2.3 d阶B-splines

我们可以用B-splines来逼近任意一个函数,则有,从这个角度看B-splines有点基底的味道。从分段多项式,到光滑的分段多项式,再到d-1阶光滑的d次多项式,我们就有了 d阶B-splines...

------笔记结束---------

讲了这么多,我一直在猜这些到底是用来干什么的呢...不知道接下来的哪些内容用到了完备内积空间、基展开和线性逼近呢?