ML1-2 线性回归与参数估计

· 更新于 2026/9/26· Tech

1. 概率与似然

  • 概率:用于在已知一些参数的情况下,预测接下来在观测上所得到的结果
  • 似然:在已知某些观测所得到的结果时,对有关事物性质的参数进行估值
  • 似然函数:对每个观测值 xx(随机变量 XX 的一个实例),似然函数定义为θ↦f(x∣θ)θ ↦ f(x|θ),通常记作 L(θ∣x)L(θ|x)

换句话说,当 f(x∣θ)f(x|θ) 被看作 xx 的函数且 θθ 固定时,它是概率密度函数;
当被看作 θθ 的函数且 xx 固定时,它是似然函数。
似然是当参数真实值为 θθ 时观测到特定结果 xx 的概率,它不是参数 θθ 的概率密度。

给定输出 xx 时,关于参数 θ\theta 的似然函数(在数值上)等于给定参数 θ\theta 后变量 xx 的概率:

L(θ∣x)=P(x∣θ)L(\theta \mid x) = P(x \mid \theta)
设 f(x∣θ)f(x \mid θ) 表示样本 X=(X1,…,Xn)X = (X_1, \dots, X_n) 的联合概率密度函数,在观察到随机变量 X=xX = x 时,若样本独立同分布(IID),还有下式:

L(θ∣x)=∏i=1nf(xi∣θ)L(\theta \mid x) = \prod_{i=1}^{n} f(x_i \mid \theta)

总结

概率是已知参数,预测事件发生的可能性
似然是已知事件,预测参数取值的可能性
概率用于从事件模型中给出数据
似然用于从数据中逼近模型参数
似然不是概率,似然函数不要求满足归一性

2. 贝叶斯定理

参考维基百科,贝叶斯定理是关于随机事件 AA 和 BB 的条件概率的一则定理。

P(A∣B)=P(A)P(B∣A)P(B)P(A \mid B) = \frac{P(A)P(B \mid A)}{P(B)}
其中 AA 和 BB 为随机事件,且 P(B)P(B) 不为零。
P(A∣B)P(A \mid B) 是指事件 BB 发生的情况下事件 AA 发生的概率。

名词解释

贝叶斯定理有几个约定俗成的名词:

  • 先验概率:主观经验确定的,未见到观测结果前的概率
  • 后验概率:基于观测结果后予以修正的概率

因而有:

  • P(A)P(A):AA 的先验概率,其不考虑任何 BB 方面的因素
  • P(B∣A)P(B \mid A):有以下几种含义
    • 已知 AA 发生后,BB 发生的条件概率
    • BB 的后验概率
    • 在特定 BB 时,AA 的似然性(因为P(B∣A)=L(A∣B)P(B \mid A) = L(A \mid B))
  • P(B)P(B):BB 的先验概率,用于归一化(它可以看做分子部分的累加)

按这些术语,贝叶斯定理可表述为:

后验概率=(似然性∗先验概率)/全概率后验概率 = (似然性*先验概率)/ 全概率

3. 参数估计

给定观测数据 D={x1,x2,…,xn}D = \{x_1, x_2, \ldots, x_n\} ,假设数据符合某个已知形式的分布 f(x∣θ)f(x \mid \theta) ,但参数 θ\theta 未知。

对于找到最佳参数这个问题,有两种主流观点:

  • 频率论:世界是确定的,概率有真值。 当重复实验次数趋近无穷大时,事件发生的频率会收敛到概率的真值。
    • 视未知参数是普通变量(固定值),样本是随机变量
    • 不假设任何的先验知识
    • 数据是随机的,它由这个确定的概率产生
  • 贝叶斯论:世界是不确定的,概率只是人们对世界的判断(置信度)。 人们对世界会有一个基本判断,而后通过现有的数据对之前的判断做调整。
    • 视一切变量是随机变量,概率也是,求 θ\theta 值不如说是求 θ\theta 的分布
    • 假设先验知识存在,通过采样修改先验知识,以逼近真实知识
    • 概率是不确定的(至少站在观测者角度如此),数据反而是确定的,数据影响判断

联系:

  • 在数据量趋近无穷时,频率学派和贝叶斯学派得到的结果是一样的,也就是说频率方法是贝叶斯方法的极限。
  • 若 P(θ)P(\theta) 为均匀分布,则 θ^MAP=θ^MLE\hat{\theta}_{\text{MAP}} = \hat{\theta}_{\text{MLE}}

参数估计:根据观测数据,求解最合理的 θ\theta 值,归结为对 θ\theta 的最优化问题。

3.1 极大似然估计 MLE

MLE 方法跟频率派思想相关。它认为参数 θ\theta 是未知但确定的常数。目标是找到参数 θ\theta,使得观测到当前数据的可能性最大。

因为 θ\theta 被认为是确定的数,所以我们期望的是找到 θ=θ^\theta = \hat{\theta} ,使得 P(D∣θ)P(D \mid \theta) (当参数为 θ\theta 时,DD 的概率分布,即条件概率)最大。

给定观测数据 xx,定义似然函数 L(θ∣x)=f(x∣θ)L(θ \mid x) = f(x \mid θ)。极大似然估计量(MLE)是使似然函数取最大值的 θθ:
θ^MLE=arg⁡max⁡θL(θ∣x)=arg⁡max⁡θ∏i=1nf(xi∣θ)\hat{\theta}_{\text{MLE}} = \arg\max_\theta L(\theta \mid x) = \arg\max_\theta \prod_{i=1}^n f(x_i \mid \theta)

假设数据 X1,X2,…,XnX_1,X_2,\dots,X_n 是 i.i.d.i.i.d. 的一组抽样,训练集 X=(X1,X2,…,Xn)X = (X_1,X_2,\dots,X_n)。我们有模型 f(x∣θ)f(x \mid \theta) ,那么 MLE 对 θ\theta 的估计方法可以如下推导( θ\theta 是变量,我们关心的是似然,即当 θ\theta 取何值时,训练集 XX 出现的概率最大)

θ^MLE=arg⁡max⁡θL(θ)=arg⁡max⁡θP(X∣θ)=arg⁡max⁡θ∏i=1nP(xi∣θ)=arg⁡max⁡θlog⁡∏i=1nP(xi∣θ)=arg⁡max⁡θ∑i=1nlog⁡P(xi∣θ)=arg⁡min⁡θ−∑i=1nlog⁡P(xi∣θ)\begin{aligned} \hat{\theta}_{\text{MLE}} &= \arg\max_{\theta} L(\theta) \\ &= \arg\max_{\theta} P(X \mid \theta) \\ &= \arg\max_{\theta} \prod_{i=1}^{n} P(x_i \mid \theta) \\ &= \arg\max_{\theta} \log \prod_{i=1}^{n} P(x_i \mid \theta) \\ &= \arg\max_{\theta} \sum_{i=1}^{n} \log P(x_i \mid \theta) \\ &= \arg\min_{\theta} -\sum_{i=1}^{n} \log P(x_i \mid \theta) \end{aligned}

对 IID 样本的理解

独立同分布(IID)是指一组随机变量中每个随机变量与其他变量具有相同的概率分布,且所有变量互相独立。一般有两种设计:

  • 样本集 DD 由对同一个随机变量 XX 独立采样 nn 次得到
  • 样本集 DD 由对多个完全相同的随机变量 XX 各独立采样 11 次得到

注意

此处我们不直接最大化似然,而是最小化负对数似然(Negative Log-Likelihood, NLL),因为:

  1. 大量独立概率的连乘会数值下溢。取对数将乘积转换求和,在浮点数范围内可控
  2. 取对数也便于计算梯度
  3. 最小化 NLL 等价于最小化交叉熵,能够与信息论相联系
  4. 这里 XX 是离散变量,但是连续变量的做法和离散是一致的

3.2 最大后验估计 MAP

MAP 方法和贝叶斯派思想相关。它认为 θ\theta 不是固定值,因为我们没有观察到,所以 θ\theta 取任何值都是可能的。因此,θ\theta 被视为一个随机变量,有自己的概率分布 P(θ)P(\theta) (称为先验)。

因为 θ\theta 被认为是一个随机变量,前文 MLE 中力求最大化的 P(D∣θ)P(D \mid \theta) 就欠考虑了 P(θ)P(\theta)(因为X、θX 、\theta 都是随机变量,应联合),即应最大化概率分布 P(θ)P(D∣θ)P(\theta) P(D \mid \theta)。(考虑了贝叶斯定理中的先验)

根据贝叶斯定理,

P(θ∣D)=P(θ)P(D∣θ)P(D)P(\theta \mid D) = \frac{P(\theta)P(D \mid \theta)}{P(D)}
即最大化上式中的后验项 P(θ∣D)P(\theta \mid D)。

同样的,假设数据 X1,X2,…,XnX_1,X_2,\dots,X_n 是 i.i.d.i.i.d. 的一组抽样,训练集 X=(X1,X2,…,Xn)X = (X_1,X_2,\dots,X_n)。那么 MAP 对 θ\theta 做如下估计:

θ^=arg⁡max⁡θP(θ∣X)=arg⁡min⁡θ−log⁡P(θ∣X)=arg⁡min⁡θ[−log⁡P(X∣θ)−log⁡P(θ)+log⁡P(X)]=arg⁡min⁡θ[−log⁡P(X∣θ)−log⁡P(θ)]\begin{aligned} \hat{\theta} &= \arg\max_{\theta} P(\theta \mid X) \\ &= \arg\min_{\theta} -\log P(\theta \mid X) \\ &= \arg\min_{\theta} \big[-\log P(X \mid \theta) - \log P(\theta) + \log P(X)\big] \\ &= \arg\min_{\theta} \big[-\log P(X \mid \theta) - \log P(\theta)\big] \end{aligned}

如果 P(θ)P(θ) 为均匀分布(无信息先验),log P(θ)log\text{ }P(θ) 为常数,则 MAP 退化为 MLE。
可见 MLE 和 MAP 的区别就是先验项的取舍。

4. 线性回归的概率解释

当面对回归问题时,为什么线性回归——特别是最小二乘代价函数是一个合理的选择呢?

让我们假设目标变量和输入通过以下方程相关联:

y(i)=θTx(i)+ϵ(i)y^{(i)} = \theta^T x^{(i)} + \epsilon^{(i)}
其中 ϵ(i)\epsilon^{(i)} 是误差项,它捕捉未建模的影响(如我们未考虑的某特征或者某些噪声)。

让我们进一步假设 ϵ(i)\epsilon^{(i)} 独立同分布(IID)于均值为零、方差为 σ2\sigma^2 的高斯分布

ϵ(i)∼N(0,σ2)\epsilon^{(i)} \sim \mathcal{N}(0, \sigma^2)
那么 ϵ(i)\epsilon^{(i)} 的密度由下式给出

p(ϵ(i))=12πσexp⁡(−(ϵ(i))22σ2)p(\epsilon^{(i)}) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} \exp\left( -\frac{(\epsilon^{(i)})^2}{2\sigma^2} \right)

这意味着
y(i)∣x(i);θ∼N(θTx(i),σ2)y^{(i)} | x^{(i)}; \theta \sim \mathcal{N}(\theta^T x^{(i)}, \sigma^2)
即
p(y(i)∣x(i);θ)=12πσexp⁡(−(y(i)−θTx(i))22σ2)p(y^{(i)} | x^{(i)}; \theta) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} \exp\left( -\frac{(y^{(i)} - \theta^T x^{(i)})^2}{2\sigma^2} \right)

p(y(i)∣x(i);θ)p(y^{(i)} | x^{(i)}; \theta) 表示这是 y(i)y^{(i)} 在给定 x(i)x^{(i)} 并由 θ\theta 参数化的分布。由于我们不认为 θ\theta 是随机变量,所以这里不对 θ\theta 做条件。

对上述固定的 θ\theta ,我们将上述概率式子视为 θ\theta 的函数,于是有似然函数

L(θ)=L(θ;X,y⃗)=p(y⃗∣X;θ)L(\theta) = L(\theta; X, \vec{y}) = p(\vec{y} | X; \theta)

为了找到目标 θ\theta 使数据的概率尽可能大,采用极大似然估计

ℓ(θ)=log⁡L(θ)=log⁡∏i=1n12πσexp⁡(−(y(i)−θTx(i))22σ2)=∑i=1nlog⁡12πσexp⁡(−(y(i)−θTx(i))22σ2)=nlog⁡12πσ−1σ2⋅12∑i=1n(y(i)−θTx(i))2\begin{aligned}\ell(\theta) &= \log L(\theta) \\&= \log \prod_{i=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} \exp\left( -\frac{(y^{(i)} - \theta^T x^{(i)})^2}{2\sigma^2} \right) \\&= \sum_{i=1}^{n} \log \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} \exp\left( -\frac{(y^{(i)} - \theta^T x^{(i)})^2}{2\sigma^2} \right) \\&= n \log \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} - \frac{1}{\sigma^2} \cdot \frac{1}{2} \sum_{i=1}^{n} (y^{(i)} - \theta^T x^{(i)})^2\end{aligned}

因此,最大化对数似然 ℓ(θ)\ell(\theta) 等价于最小化下式
12∑i=1n(y(i)−θTx(i))2\frac{1}{2} \sum_{i=1}^{n} (y^{(i)} - \theta^T x^{(i)})^2

因此,在上述关于数据的概率假设下,最小二乘回归对应于寻找 θ\theta 的极大似然估计。
(这些概率假设对于最小二乘成为一个完全合理的过程并非必要,而且可能也确实存在其他自然假设也可以用来证明其合理性)