AI算法18-最小角回归算法Least Angle Regression | LARS

2024-07-17 07:39:39

最小角回归算法简介

最小角回归（Least Angle Regression, LAR）是一种用于回归分析的统计方法，它在某些方面类似于最小二乘回归，但提供了一些额外的优点。最小角回归由Bradley Efron等人提出，主要用于处理具有高度相关性的特征集。

最小角回归算法的核心思想是逐步添加特征到模型中，每次添加与当前残差相关性最大的特征。这个过程通过最小化角（即特征与残差之间的夹角）来实现，从而确保模型的稀疏性。这使得LAR算法在处理具有多重共线性的数据集时特别有用。

我们直接看最基本的LAR算法，假设有N个样本，自变量是p维的：

先对 $X(N\times p)$ 做标准化处理，使得每个predictor（的每列）满足 $x_{\cdot j}' 1_N=0$ ， $\Vert x_{\cdot j}\Vert=1$ 。我们先假设回归模型中只有截距项，则 $\beta_0=\dfrac{1}{N} y' 1_N$ ，记残差 $r=y-1_N \beta_0$ ，而其他的系数 $\beta_1=\cdots=\beta_p=0$ 。
找出与相关性最大的 $x_{\cdot j}$ ，加入active set；
将 $\beta_j$ 从0逐步向LS系数 $x_{\cdot j}'r$ 变动，直到有另一个 $x_{\cdot k}$ ，它与的相关系数绝对值，和 $x_{\cdot j}$ 与的相关系数绝对值一样大；
将 $\beta_j$ 和 $\beta_k$ 同时向二者的联合LS系数变动，直到再出现下一个 $x_{\cdot l}$ ，它与的相关系数满足上一步的条件；
重复上述过程， $\min(N-1,p)$ 步后，就得到完整的LS解。

最小角回归算法主要解决的问题

多重共线性：数据集中的特征之间存在高度相关性，这可能导致最小二乘回归模型的参数估计不稳定。
特征选择：在特征数量多于样本数量的情况下，需要选择对模型预测最有帮助的特征子集。
稀疏模型：需要一个具有较少非零系数的模型，以便于解释和减少模型复杂度。
稳健性：在数据中存在噪声或异常值时，需要一个对这些情况不敏感的模型。
预测准确性：在保持模型简洁的同时，追求较高的预测准确性。
线性回归问题：LAR可以应用于标准的线性回归问题，即预测一个连续的响应变量。
逻辑回归问题：通过适当的修改，LAR也可以应用于分类问题，如逻辑回归。
多元回归问题：LAR可以处理多个响应变量的回归问题，即多元线性回归。
正则化问题：LAR提供了一种正则化方法，可以控制模型的复杂度，防止过拟合。
交叉验证问题：在模型选择过程中，LAR可以用于交叉验证，以选择最佳的模型复杂度。
模型解释性：由于LAR倾向于产生稀疏模型，因此它可以提高模型的可解释性。
大规模数据集：LAR算法适用于大规模数据集，尤其是当数据集中的特征数量非常多时。

最小角回归算法基本思想和理论基础

最小角回归算法基本思想

稀疏模型：LAR的目标是构建一个稀疏的回归模型，即模型中只有少数几个特征具有非零系数，这有助于提高模型的可解释性和降低过拟合的风险。
逐步添加特征：LAR通过逐步添加特征到模型中来构建。在每一步中，算法选择当前与残差相关性最大的特征加入模型，这个过程是迭代的。
最小化角：LAR的核心思想是最小化特征向量与残差向量之间的夹角。这个夹角的大小代表了特征对当前残差解释能力的大小。选择夹角最小的特征意味着选择了最能解释当前残差的特征。
正则化：LAR通过正则化项控制模型的复杂度，类似于LASSO算法，但LAR的正则化是通过最小化角来实现的，而不是直接对系数的大小进行惩罚。
数据驱动：LAR算法是数据驱动的，它根据数据本身的特性来选择特征，而不是依赖于预先设定的模型假设。
稳健性：由于LAR算法在每一步都考虑了特征与残差的相关性，它对数据中的噪声和异常值具有一定的稳健性。
快速计算：LAR算法利用了数据的稀疏性质和快速的更新规则，使得算法在计算上相对高效。
灵活性：LAR算法可以应用于不同类型的回归问题，包括线性回归、逻辑回归等，并且可以处理大规模数据集。
交叉验证：LAR算法可以结合交叉验证等方法来选择最佳的正则化参数，实现模型的自动选择。
模型解释性：由于LAR倾向于产生稀疏模型，它提高了模型的可解释性，使得模型更容易被理解和应用。

最小角回归算法理论基础

线性回归问题：LAR算法是针对线性回归问题设计的，它通过逐步添加特征的方式进行特征选择和回归系数的计算。
特征向量分解：LAR算法的核心在于将回归目标向量分解为若干组特征向量的线性组合，关键在于选择正确的特征向量分解顺序和分解系数。
前向选择算法：LAR算法与前向选择算法（Forward Selection）有关，前向选择算法是一种贪婪算法，通过选择与目标向量相关度最高的特征向量进行分解。
前向梯度算法：LAR算法也与前向梯度算法（Forward Stagewise）有关，该算法通过小步试错的方式进行特征向量的选择和分解。
最小化角：LAR算法通过最小化特征向量与残差向量之间的夹角来进行特征选择，这种方法结合了前向选择算法的快速性和前向梯度算法的准确性。
正则化方法：LAR算法是一种正则化方法，它可以求解Lasso回归问题，并且可以得到Lasso解的路径。
算法性质：LAR算法保持最小角的性质，即在分解过程中，每个predictor与残差向量的相关系数会同比例地减少。
模型的求解：LAR算法通过逐步更新残差向量和逐步调整回归系数，直到满足终止条件，如残差向量足够小或所有变量都已使用完毕。
稳定性和灵活性：LAR算法具有很好的稳定性和灵活性，适用于特征维度远高于样本数的情况，并且可以容易地修改以适应其他估算器，如LASSO 。
算法效率：LAR算法在计算上非常有效，特别是当特征维度远大于样本数量时，它的计算速度几乎和前向选择算法一样快

最小角回归算法步骤

1.初始化：

将所有特征的系数初始化为零。

计算初始残差向量，即响应向量与所有特征系数为零时的残差。

2.标准化特征：

为了确保算法不受特征尺度的影响，对所有特征向量进行标准化处理。

3.构建活动集：

初始化一个活动集（active set），包含与当前残差向量相关性最大的特征。

4.计算相关性：

对于每个特征，计算它与当前残差向量的相关系数。

5.选择特征：

选择与当前残差向量相关性最大的特征，将其添加到活动集中。

6.更新系数：

对活动集中的每个特征，逐步更新其系数，直到另一个特征的相关性与当前特征相同。

7.调整系数：

当两个或多个特征与残差向量的相关性相等时，同时更新这些特征的系数，直到它们的相关性不再相等。

8.更新残差：

使用当前的系数和特征向量来更新残差向量。

9.检查终止条件：

如果残差向量的范数低于某个阈值，或者已经没有更多的特征可以添加到模型中，则算法终止。

10.重复迭代：

重复步骤4到9，直到满足终止条件。

11.输出结果：

最终，算法输出模型的系数向量，这些系数代表了特征对响应变量的影响。

最小角回归算法推导

保持最小角

我们先来看LS估计量的一个性质：若每个predictor与的相关系的数绝对值相等，从此时开始，将所有系数的估计值同步地从0移向LS估计量，在这个过程中，每个predictor与残差向量的相关系数会同比例地减少。

假设我们标准化了每个predictor和，使他们均值为0，标准差为1。在这里的设定中，对于任意 $j=1,\ldots,p$ ，都有 $\left|x_{\cdot j}'y\right|/N=\lambda$ ，其中 $\lambda$ 为常数。LS估计量 $\hat\beta=(X'X)^{-1}X'y$ ，当我们将系数从0向 $\hat\beta$ 移动了 $\alpha(\alpha\in[0,1])$ 比例时，记拟合值为 $u(\alpha)=\alpha X\hat\beta$ 。

另外，记 $\ell_p^{(j)}$ 为只有第个元素为1、其他元素均为0的维向量，则 $x_{\cdot j}=X\ell_p^{(j)}$ ，再记，记投影矩阵 $P=X(X'X)^{-1}X'$ 。

这里的问题是，在 $\alpha$ 变大过程中，每一个 $x_{\cdot j}$ 与新的残差的相关系数，是否始终保持相等？且是否会减小？

由于 $\left| x_{\cdot j}' [y-u(\alpha)]\right|=\left|x_{\cdot j}'y - \ell_p^{(j)\prime} X' u(\alpha)\right|=(1-\alpha)N\lambda$ ，即内积与无关。再由 $\text{RSS}=(y-Py)'(y-Py)=N-y'Py$ 可知 $y'Py=N-\text{RSS}$ 。

参数更新

那么，在这个过程中，是否需要每次都逐步小幅增加 $\alpha$ ，再检查有没有其他predictor与残差的相关系数绝对值？有没有快速的计算的方法？答案是有的。

在第步的开始， $\mathcal{A}_k$ 中有个元素，我们记 $\hat c=X'r_k$ ，其中 $r_k=y-\hat y_{\mathcal{A}_k}$ ，并记 $\hat C=\max_j \{\left|\hat c_j\right|\}$ ，此时的active set其实就是 $\mathcal{A}_k=\{j:\left|\hat c_j\right|=\hat C\}$ 。在这里，我们将 $X_{\mathcal{A}_k}$ 做个修改，记 $s_j=\text{sign}(\hat c_j)$ ，再令 $X_{\mathcal{A}_k}=[\cdots s_jx_{\cdot j}\cdots]_{j\in\mathcal{A}_k}$ 。

此时更新方向为 $X_{\mathcal{A}_k}' u_k=1_{k-1}\hat C$ ，并取 $a\equiv X' u_k$ 。更新的规则为 $\hat y_{\mathcal{A}_k}(\alpha)= \hat y_{\mathcal{A}_k}+\alpha u_k$ 。因此，任一predictor，与当前残差的内积就为 $c_j(\alpha)=\hat c_j-\alpha a_j$ ，而对于 $j\in \mathcal{A}_k$ ，有 $\left| c_j(\alpha)\right|=\hat C-\alpha \hat C$ 。

对于 $j\in \mathcal{A}_k^c$ ，如果要使与当前残差的相关系数绝对值，与在 $\mathcal{A}_k$ 中的predictor与当前残差的相关系数绝对值相等，也即它们的内积的绝对值相等，必须要满足 $|\hat c_j-\alpha a_j|=(1-\hat\alpha_j)\hat C$ 。问题转化为了求解使它们相等的 $\hat\alpha_j$ ，并对于所有的 $j\in \mathcal{A}_k^c$ ，最小 $\hat\alpha_j$ 的即为最后的更新步长。

由于 $|\hat c_j|<\hat C$ ，因此只需考虑 $\hat c_j$ 与的大小关系即可。最后解为

注意到

因此，当 $\hat c_j> a_j$ 时，除非 $a_j< -\hat C$ 即 $\dfrac{\hat C+\hat c_j}{\hat C+a_j}< 0$ ，否则必有 $\dfrac{\hat C-\hat c_j}{\hat C-a_j} < \dfrac{\hat C+\hat c_j}{\hat C+a_j}$ 。反之，当 $\hat c_j\leq a_j$ 时，除非 $a_j> \hat C$ 即 $\dfrac{\hat C-\hat c_j}{\hat C-a_j}< 0$ ，否则必有 $\dfrac{\hat C-\hat c_j}{\hat C-a_j} \geq \dfrac{\hat C+\hat c_j}{\hat C+a_j}$ 。综上所述，上面的解可以写为

其中 $\{\}^+$ 表示只对其中正的元素有效，而丢弃负的元素。

最小角回归算法代码实现

import numpy as np
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.linear_model import Lars
import matplotlib.pyplot as plt

# 示例数据生成
np.random.seed(0)
X = 2.5 - 1.5 * np.random.randn(100, 1)
y = 1 + 2 * X + 0.5 * np.random.randn(100, 1)

# 添加截距项
X = np.hstack([np.ones((100, 1)), X])

# 数据标准化
scaler = StandardScaler()
X_scaled = scaler.fit_transform(X)

# 创建LARS模型实例
lars = Lars()

# 拟合模型
lars.fit(X_scaled, y)

# 打印系数
print("Coefficients:", lars.coef_)

# 绘制系数路径
plt.plot(lars.coef_, drawstyle="steps")
plt.xlabel("Variables")
plt.ylabel("Coefficient Value")
plt.title("Coefficient Path of LARS")
plt.show()

最小角回归算法具有以下优缺点

优点：

高维数据处理：LAR算法特别适合于特征维度 n 远高于样本数 m 的情况，能够有效处理高维数据。
计算效率：算法的最坏计算复杂度与最小二乘法类似，但计算速度几乎与前向选择算法一样快。
系数路径：LAR算法可以产生分段线性结果的完整路径，这在模型的交叉验证中非常有用。
稳定性：如果两个变量对响应有几乎相等的联系，则LAR算法会给予它们相似的系数增长率，这与我们的直觉判断一致，且更加稳定。
灵活性：LAR算法容易修改并为其他估算器生成解，例如可以用于求解Lasso回归问题。

缺点：

对噪声敏感：由于LAR算法的迭代方向是根据目标残差而定，因此该算法对样本的噪声非常敏感。
实现复杂性：尽管算法本身在理论上具有吸引力，但在实际实现时可能较为复杂，特别是对于非专家用户。

最小角回归算法的应用场景

高维数据回归问题：LAR算法特别适用于处理特征数量多于样本数量的高维数据集，能够有效地进行变量选择和回归分析。
生物信息学：在生物信息学领域，LAR可以用于处理基因表达数据，识别重要的生物标记。
金融分析：LAR在量化分析和风险预测中应用，帮助分析金融数据和预测市场趋势。
信号处理：在信号处理领域，LAR可以用于信号恢复和噪声减少，提高信号的质量。
大规模数据分析：对于特征众多的数据集，LAR进行有效的变量选择和数据压缩，简化模型并提高解释能力。
特征选择：LAR算法提供了一种高效的特征选择方式，尤其在变量个数远大于样本数的情况下，能够快速识别出重要的特征。
稳健性分析：LAR算法在变量选择上表现出较高的稳定性，对于高度相关的变量，提供了更加稳健的解决方案。
教育和研究：在教育和研究领域，LAR算法被用于教学和研究项目，帮助学生和研究人员理解高维数据的回归分析方法。

模型优化：通过使用网格搜索（GridSearchCV）和交叉验证的方法来精细调整LAR模型的参数，期望获得最佳的模型性能。

码农公寓

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