為什么我們要使用LU或者QR計算線性回歸參數(shù)而不是用逆矩陣荞驴?

線性回歸是最基本的機器學(xué)習(xí)模型檐蚜,我們通過學(xué)習(xí)機器學(xué)習(xí)中本文假設(shè)你對線性回歸和矩陣論有一定的了解,我們探索兩種通過矩陣求解線性回歸的相關(guān)的參數(shù)的一個算法矛辕,并且探究兩種算法的區(qū)別笑跛。

通過求解逆矩陣求解線性回歸的參數(shù)

今天遇到的問題是付魔,就是在計算線性回歸的參數(shù)的時候,我們一般學(xué)過線性回歸的同學(xué)第一直覺能想到的公式就是:
\hat{w}^* = (X^TX)^{-1}X^Ty
倘若你沒有學(xué)過這個公式飞蹂,說明你學(xué)過的線性回歸沒有講通過矩陣計算線性回歸的方法几苍,建議去網(wǎng)上找一下相關(guān)的資料〕卵疲回到現(xiàn)在的問題妻坝,我們知道,逆矩陣的求解方法是伴隨矩陣除行列式惊窖,也就是
A^{-1}=\frac{A^*}{\det{A}}
其中A^*指的是A的伴隨矩陣刽宪,伴隨矩陣的求法就是通過求代數(shù)余子式來得到伴隨矩陣。

通過LU分解求解得到線性回歸的參數(shù)

我們首先回顧一下矩陣的基本知識界酒,我們知道矩陣是對線性方程的一種表示方式圣拄。例如我們一組線性方程
a_{1,1}x+a_{1,2}y + a_{1,3}z = 0 \\ a_{2,1}x+a_{2,2}y + a_{2,3}z = 0 \\ a_{3,1}x+a_{3,2}y + a_{3,3}z = 0
我們知道這可以得到一個系數(shù)矩陣:
\begin{bmatrix} a_{1,1} & a_{1,2} & a_{1,3} \\ a_{2,1} & a_{2,2} & a_{2,3} \\ a_{3,1} & a_{3,2} & a_{3,3} \end{bmatrix}
如果我們有一組線性方程
a_{1,1}x+a_{1,2}y + a_{1,3}z = \alpha_1 \\ a_{2,1}x+a_{2,2}y + a_{2,3}z = \alpha_2 \\ a_{3,1}x+a_{3,2}y + a_{3,3}z = \alpha_3
那么我們就可以得到一個增廣矩陣也就是:
\begin{bmatrix} a_{1,1} & a_{1,2} & a_{1,3} & \alpha_1 \\ a_{2,1} & a_{2,2} & a_{2,3} & \alpha_2 \\ a_{3,1} & a_{3,2} & a_{3,3} & \alpha_3 \end{bmatrix}
我們可以通過對這個增廣矩陣進行高斯消元法得到一個階梯矩陣,然后通過階梯矩陣求到x,y,z的具體的值毁欣。

那么我們從上一節(jié)中的線性回歸的中的公式可以得到
XX^T\hat{w}^* = X^Ty
所以系數(shù)矩陣為XX^T庇谆,同時等號的右邊是一個向量,于是我們就可以得到一個增廣矩陣
\begin{bmatrix} XX^T & X^Ty \end{bmatrix}
通過解這個增廣矩陣得到每一個xyz的值凭疮,我們就可以得到線性方程組的參數(shù)了饭耳。從而得到每一個線性回歸方程中的每一個參數(shù)的具體的量了。

通過LU分解求解得到線性回歸的參數(shù)

等著填坑

兩種算法的算法復(fù)雜度比較

對于第一種逆矩陣的求法执解,我們需要求代數(shù)余子式寞肖,每一個代數(shù)余子式需要求一次行列式,同時我們還需要求一次總的行列式衰腌,那么對于一個\sqrt{n}階的矩陣新蟆,那么就會有n個參數(shù),此時算法復(fù)雜度為:
O(n^3)
而通過LU分解得到線性方程的方法也為相同的復(fù)雜度右蕊,也就是:
O(n^3)
雖然兩個算法的階數(shù)相同栅葡,但是兩個算法的前面的系數(shù)并不相同,一般來說尤泽,LU分解是逆矩陣求法的1/3,因此我們?yōu)榱擞嬎愀涌焖俟媪常覀兤匠T诮膺@個方程的時候坯约,能用LU分解就用LU分解,而不要用逆矩陣去求解

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