https://www.zhihu.com/question/37096933/answer/70507353
https://blog.csdn.net/red_stone1/article/details/80755144
 

机器学习中,如果参数过多,模型过于复杂,容易造成过拟合(overfit)。即模型在训练样本数据上表现的很好,但在实际测试样本上表现的较差,不具备良好的泛化能力。为了避免过拟合,最常用的一种方法是使用使用正则化,例如 L1 和 L2 正则化。但是,正则化项是如何得来的?其背后的数学原理是什么?L1 正则化和 L2 正则化之间有何区别?本文将给出直观的解释。

1. L2 正则化直观解释
L2 正则化公式非常简单,直接在原来的损失函数基础上加上权重参数的平方和:

L=Ein+λ∑jw2j
L=Ein+λ∑jwj2
其中,Ein 是未包含正则化项的训练样本误差,λ 是正则化参数,可调。但是正则化项是如何推导的?接下来,我将详细介绍其中的物理意义。

我们知道,正则化的目的是限制参数过多或者过大,避免模型更加复杂。例如,使用多项式模型,如果使用 10 阶多项式,模型可能过于复杂,容易发生过拟合。所以,为了防止过拟合,我们可以将其高阶部分的权重 w 限制为 0,这样,就相当于从高阶的形式转换为低阶。

为了达到这一目的,最直观的方法就是限制 w 的个数,但是这类条件属于 NP-hard 问题,求解非常困难。所以,一般的做法是寻找更宽松的限定条件:

∑jw2j≤C
∑jwj2≤C
上式是对 w 的平方和做数值上界限定,即所有w 的平方和不超过参数 C。这时候,我们的目标就转换为:最小化训练样本误差 Ein,但是要遵循 w 平方和小于 C 的条件。

下面,我用一张图来说明如何在限定条件下,对 Ein 进行最小化的优化。

如上图所示,蓝色椭圆区域是最小化 Ein 区域,红色圆圈是 w 的限定条件区域。在没有限定条件的情况下,一般使用梯度下降算法,在蓝色椭圆区域内会一直沿着 w 梯度的反方向前进,直到找到全局最优值 wlin。例如空间中有一点 w(图中紫色点),此时 w 会沿着 -∇Ein 的方向移动,如图中蓝色箭头所示。但是,由于存在限定条件,w 不能离开红色圆形区域,最多只能位于圆上边缘位置,沿着切线方向。w 的方向如图中红色箭头所示。

那么问题来了,存在限定条件,w 最终会在什么位置取得最优解呢?也就是说在满足限定条件的基础上,尽量让 Ein 最小。

我们来看,w 是沿着圆的切线方向运动,如上图绿色箭头所示。运动方向与 w 的方向(红色箭头方向)垂直。运动过程中,根据向量知识,只要 -∇Ein 与运行方向有夹角,不垂直,则表明 -∇Ein 仍会在 w 切线方向上产生分量,那么 w 就会继续运动,寻找下一步最优解。只有当 -∇Ein 与 w 的切线方向垂直时,-∇Ein在 w 的切线方向才没有分量,这时候 w 才会停止更新,到达最接近 wlin 的位置,且同时满足限定条件。

-∇Ein 与 w 的切线方向垂直,即 -∇Ein 与 w 的方向平行。如上图所示,蓝色箭头和红色箭头互相平行。这样,根据平行关系得到:

−∇Ein+λw=0
−∇Ein+λw=0
移项,得:

∇Ein+λw=0
∇Ein+λw=0
这样,我们就把优化目标和限定条件整合在一个式子中了。也就是说只要在优化 Ein 的过程中满足上式,就能实现正则化目标。

接下来,重点来了!根据最优化算法的思想:梯度为 0 的时候,函数取得最优值。已知 ∇Ein 是 Ein 的梯度,观察上式,λw 是否也能看成是某个表达式的梯度呢?

当然可以!λw 可以看成是 1/2λw*w 的梯度:

∂∂w(12λw2)=λw
∂∂w(12λw2)=λw
这样,我们根据平行关系求得的公式,构造一个新的损失函数:

Eaug=Ein+λ2w2
Eaug=Ein+λ2w2
之所以这样定义,是因为对 Eaug 求导,正好得到上面所求的平行关系式。上式中等式右边第二项就是 L2 正则化项。

这样, 我们从图像化的角度,分析了 L2 正则化的物理意义,解释了带 L2 正则化项的损失函数是如何推导而来的。

2. L1 正则化直观解释
L1 正则化公式也很简单,直接在原来的损失函数基础上加上权重参数的绝对值:

L=Ein+λ∑j|wj|
L=Ein+λ∑j|wj|
我仍然用一张图来说明如何在 L1 正则化下,对 Ein 进行最小化的优化。

Ein 优化算法不变,L1 正则化限定了 w 的有效区域是一个正方形,且满足 |w| < C。空间中的点 w 沿着 -∇Ein 的方向移动。但是,w 不能离开红色正方形区域,最多只能位于正方形边缘位置。其推导过程与 L2 类似,此处不再赘述。

3. L1 与 L2 解的稀疏性
介绍完 L1 和 L2 正则化的物理解释和数学推导之后,我们再来看看它们解的分布性。

以二维情况讨论,上图左边是 L2 正则化,右边是 L1 正则化。从另一个方面来看,满足正则化条件,实际上是求解蓝色区域与黄色区域的交点,即同时满足限定条件和 Ein 最小化。对于 L2 来说,限定区域是圆,这样,得到的解 w1 或 w2 为 0 的概率很小,很大概率是非零的。

对于 L1 来说,限定区域是正方形,方形与蓝色区域相交的交点是顶点的概率很大,这从视觉和常识上来看是很容易理解的。也就是说,方形的凸点会更接近 Ein 最优解对应的 wlin 位置,而凸点处必有 w1 或 w2 为 0。这样,得到的解 w1 或 w2 为零的概率就很大了。所以,L1 正则化的解具有稀疏性。

扩展到高维,同样的道理,L2 的限定区域是平滑的,与中心点等距;而 L1 的限定区域是包含凸点的,尖锐的。这些凸点更接近 Ein 的最优解位置,而在这些凸点上,很多 wj 为 0。

关于 L1 更容易得到稀疏解的原因,有一个很棒的解释,请见下面的链接:

https://www.zhihu.com/question/37096933/answer/70507353

4. 正则化参数 λ
正则化是结构风险最小化的一种策略实现,能够有效降低过拟合。损失函数实际上包含了两个方面:一个是训练样本误差。一个是正则化项。其中,参数 λ 起到了权衡的作用。

以 L2 为例,若 λ 很小,对应上文中的 C 值就很大。这时候,圆形区域很大,能够让 w 更接近 Ein 最优解的位置。若 λ 近似为 0,相当于圆形区域覆盖了最优解位置,这时候,正则化失效,容易造成过拟合。相反,若 λ 很大,对应上文中的 C 值就很小。这时候,圆形区域很小,w 离 Ein 最优解的位置较远。w 被限制在一个很小的区域内变化,w 普遍较小且接近 0,起到了正则化的效果。但是,λ 过大容易造成欠拟合。欠拟合和过拟合是两种对立的状态。

假设费用函数 L 与某个参数 x 的关系如图所示:

&amp;amp;lt;img src="https://pic4.zhimg.com/50/40de2e79cf8af8a9f75ba2d48ae05f16_hd.jpg" data-rawwidth="429" data-rawheight="267" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="429" data-original="https://pic4.zhimg.com/40de2e79cf8af8a9f75ba2d48ae05f16_r.jpg"/&amp;amp;gt;L2与L1正则化理解-LMLPHP
则最优的 x 在绿点处,x 非零。

现在施加 L2 regularization,新的费用函数(L2与L1正则化理解-LMLPHP)如图中蓝线所示:

&amp;amp;lt;img src="https://pic3.zhimg.com/50/6221f45c527e0fc4c0d38a4ef30ee241_hd.jpg" data-rawwidth="431" data-rawheight="271" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="431" data-original="https://pic3.zhimg.com/6221f45c527e0fc4c0d38a4ef30ee241_r.jpg"/&amp;amp;gt;L2与L1正则化理解-LMLPHP最优的 x 在黄点处,x 的绝对值减小了,但依然非零。

而如果施加 L1 regularization,则新的费用函数(L2与L1正则化理解-LMLPHP)如图中粉线所示:

&amp;amp;lt;img src="https://pic4.zhimg.com/50/d534de56d13bf7d226a4d654c1ab02f0_hd.jpg" data-rawwidth="427" data-rawheight="272" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="427" data-original="https://pic4.zhimg.com/d534de56d13bf7d226a4d654c1ab02f0_r.jpg"/&amp;amp;gt;L2与L1正则化理解-LMLPHP最优的 x 就变成了 0。这里利用的就是绝对值函数的尖峰。

两种 regularization 能不能把最优的 x 变成 0,取决于原先的费用函数在 0 点处的导数。
如果本来导数不为 0,那么施加 L2 regularization 后导数依然不为 0,最优的 x 也不会变成 0。
而施加 L1 regularization 时,只要 regularization 项的系数 C 大于原先费用函数在 0 点处的导数的绝对值,x = 0 就会变成一个极小值点。

上面只分析了一个参数 x。事实上 L1 regularization 会使得许多参数的最优值变成 0,这样模型就稀疏了。

 
 L2与L1正则化理解-LMLPHP

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04-16 11:12