局部加权线性回归(Locally weighted linear regression)

首先我们来看一个线性回归的问题，在下面的例子中，我们选取不同维度的特征来对我们的数据进行拟合。

 

 

对于上面三个图像做如下解释：

选取一个特征，来拟合数据，可以看出来拟合情况并不是很好，有些数据误差还是比较大

针对第一个，我们增加了额外的特征，，这时我们可以看出情况就好了很多。

这个时候可能有疑问，是不是特征选取的越多越好，维度越高越好呢？所以针对这个疑问，如最右边图，我们用5揭多项式使得数据点都在同一条曲线上，为。此时它对于训练集来说做到了很好的拟合效果，但是，我们不认为它是一个好的假设，因为它不能够做到更好的预测。

 

针对上面的分析，我们认为第二个是一个很好的假设，而第一个图我们称之为欠拟合（underfitting），而最右边的情况我们称之为过拟合（overfitting）

 

所以我们知道特征的选择对于学习算法的性能来说非常重要，所以现在我们要引入局部加权线性回归，它使得特征的选择对于算法来说没那么重要，也就是更随性了。

 

在我们原始的线性回归中，对于输入变量，我们要预测，通常要做：

 

 

而对于局部加权线性回归来说，我们要做：

为权值，从上面我们可以看出，如果很大，我们将很难去使得小，所以如果很小，则它所产生的影响也就很小。

 

通常我们选择的形式如下所示：

上式中参数为新预测的样本特征数据，它是一个向量，参数控制了权值变化的速率，和的图像如下

可以看到

（1）如果，则。

（2）如果，则。

也即，离很近的样本，权值接近于1，而对于离很远的样本，此时权值接近于0，这样就是在局部构成线性回归，它依赖的也只是周边的点

图中红色直线使用线性回归做的结果，黑色直线使用LWR做的结果，可以看到局部加权回归的效果较好。

 

注意：

的形式跟高斯函数很像，但是它和高斯函数一点关系都没有，是波长参数，越大远距离样本权值下降更快。

局部加权回归在每一次预测新样本时都会重新的确定参数，从而达到更好的预测效果当数据规模比较大的时候计算量很大，学习效率很低。并且局部加权回归也不是一定就是避免underfitting。

 

对于线性回归算法，一旦拟合出适合训练数据的参数θi’s，保存这些参数θi’s，对于之后的预测，不需要再使用原始训练数据集，所以是参数学习算法。

对于局部加权线性回归算法，每次进行预测都需要全部的训练数据（每次进行的预测得到不同的参数θi’s），没有固定的参数θi’s，所以是非参数算法。