在之前的岭回归与Elastic Net优化问题中,我们已经涉及到正则化的使用。下面我们将进一步讨论正则化问题。
正则化(Regularization)
- 我们首先对正则化进行正式定义:考虑如下优化问题
引入正则项(函数)和正则化参数,则上述问题的正则化形式为
其中可以调节正则化的强度。
- 注:当参数变化时,对应的最优解也会变化。
- 之前的岭回归问题中,我们使用的正则项是-范数,而下面我们将主要讨论另一种正则项:-范数,即。使用这一正则项的最典型优化问题就是LASSO回归问题。
LASSO回归
-
LASSO回归的形式如下:
其中。
-
LASSO回归具有如下性质:记,则
- 为凸函数;
- 若列满秩,则为-强凸函数,其中;
- 最优解总存在,且当列满秩时最优解唯一。
由此可以发现,LASSO回归与岭回归最大的区别在于LASSO回归并不保证解唯一,且没有解的显式表达式。
- 那么引入LASSO回归有什么作用呢?实际上,LASSO回归得到的解往往具有较少的非零分量,这种性质也被称为稀疏性(sparsity)。
-
下面我们通过对范数与范数进行比较理解这种稀疏性。首先,我们给出二维情形下的范数球,如图所示(实际上在Chapter 2中我们也已经画过类似的图):

由此可以发现,范数球比较圆滑,而范数球相对棱角分明一些。这直观地说明了范数处处可微,而范数在时不可微。而这些不可微点正是稀疏性产生的关键。 -
在讨论LASSO回归的稀疏性问题之前,我们首先引入两个基本的范数优化问题:
-
最小范数问题
之前我们利用KKT的平稳性条件解决了最小范数问题,然而对于最小范数问题:我们无法直接使用平稳性解决。对此,我们考虑将其转换为线性规划问题。引入的正部与负部,其满足
因此上述问题可以转化为
这样就可以用LP方法求解。
补充实际上,这个转化后的问题最终得到的最优解与中一定有一个是。可用反证法证明:
- 如果且,不妨设,那么可以另取。此时仍然满足约束条件,且目标函数更小,矛盾!
由此可知引入的两个(松弛)变量完全可以使用正部与负部的定义。
另一方面,这个问题也可以推广到一般的最小范数,只需做一个松弛变量转换即可:
-
最小距离问题
设,考虑下述两种最小距离问题:第一个问题的目标函数为可微凸函数,我们可以直接通过求梯度零点得到最优解:
即样本点均值。而对于第二个问题,目标函数不可微,对此我们先考虑(退化为标量)的情形:
对这个目标函数求梯度需要分类讨论,推导如下:
因此梯度为满足的条件为,实际上满足这一条件的解就是样本中位数。
当然也需要考虑不可微点,但综合考虑后最终得到的最优解仍然是样本中位数。
由数理统计的知识可知,样本中位数相比样本均值更加稳定,因此第二个问题的解抗干扰性更强。
-
-
现在正式讨论LASSO回归问题。这里我们只考虑决策变量为一维标量的情形,对于高维情形可以通过类似推导得出。问题形式如下:
由此可见目标函数除了之外均可微,具体导数如下:
下面对进行分类讨论:
- :此时
- :此时
- :由上述两个讨论可知,最优解要取在,需要满足。因此当时,原问题的最优解。
综上,我们得到最优解的形式:
这恰好体现了LASSO回归的“软阈值”性质:它会在接近时让直接取。【而岭回归只有时才会让取】这也是LASSO回归具有稀疏性的原因。
-
正则化与凸优化问题的约束条件也有密切关系。具体定理如下:
-
设为严格凸函数,并且对于所有满足的序列,都有(这一条件也称为coercivity条件);
-
同时假设为非负凸函数,且存在使得;
-
另设和分别为正则化和带约束凸优化问题的解集:
其中。则:
- 对于任意,都存在,使得;【此时取值】
- 对于任意,都存在,使得。【时取,否则只需要满足即可】
这一定理表明在某种意义上,正则化凸优化问题等价于带约束的凸优化问题。
- 一个简单的应用:岭回归问题与带范数约束的最小二乘问题等价。【前提是矩阵列满秩】
-
-
最后我们再利用上面的范数球说明LASSO的稀疏性原理:假设一个优化问题(不考虑范数约束)的全局最优解在范数球外,现在将其水平集以最优解为中心向外扩散。那么:
- 对于范数球约束,其最终得到的最优解往往会在范数球的角上(水平集最先碰到角),从而具有稀疏性;
- 而对于范数球约束,其最终得到的最优解可能是球上的任意一点,因而不具备稀疏性。
