机器学习实战教程（十二）：线性回归提高篇之乐高玩具套件二手价预测

一、前言

本篇文章讲解线性回归的缩减方法，岭回归以及逐步线性回归，同时熟悉sklearn的岭回归使用方法，对乐高玩具套件的二手价格做出预测。

二、岭回归

如果数据的特征比样本点还多应该怎么办？很显然，此时我们不能再使用上文的方法进行计算了，因为矩阵X不是满秩矩阵，非满秩矩阵在求逆时会出现问题。为了解决这个问题，统计学家引入岭回归（ridge regression）的概念。

1、什么是岭回归？

岭回归即我们所说的L2正则线性回归，在一般的线性回归最小化均方误差的基础上增加了一个参数w的L2范数的罚项，从而最小化罚项残差平方和：

简单说来，岭回归就是在普通线性回归的基础上引入单位矩阵。回归系数的计算公式变形如下：

式中，矩阵I是一个mxm的单位矩阵，加上一个λI从而使得矩阵非奇异，进而能对矩阵求逆。

岭回归最先用来处理特征数多于样本数的情况，现在也用于在估计中加入偏差，从而得到更好的估计。这里通过引入λ来限制了所有w之和，通过引入该惩罚项，能够减少不重要的参数，这个技术在统计学中也可以叫做缩减（shrinkage）。

缩减方法可以去掉不重要的参数，因此能更好地裂解数据。此外，与简单的线性回归相比，缩减法能够取得更好的预测效果。

2、编写代码

为了使用岭回归和缩减技术，首先需要对特征做标准化处理。因为，我们需要使每个维度特征具有相同的重要性。本文使用的标准化处理比较简单，就是将所有特征都减去各自的均值并除以方差。

代码很简单，只需要稍做修改，其中，λ为模型的参数。我们先绘制一个回归系数与log(λ)的曲线图，看下它们的规律，编写代码如下：

运行结果如下：

图绘制了回归系数与log(λ)的关系。在最左边，即λ最小时，可以得到所有系数的原始值（与线性回归一致）；而在右边，系数全部缩减成0；在中间部分的某个位置，将会得到最好的预测结果。想要得到最佳的λ参数，可以使用交叉验证的方式获得，文章的后面会继续讲解。

三、前向逐步线性回归

前向逐步线性回归算法属于一种贪心算法，即每一步都尽可能减少误差。我们计算回归系数，不再是通过公式计算，而是通过每次微调各个回归系数，然后计算预测误差。那个使误差最小的一组回归系数，就是我们需要的最佳回归系数。

前向逐步线性回归实现也很简单。当然，还是先进行数据标准化，编写代码如下：

运行结果如下：

还是，我们打印了迭代次数与回归系数的关系曲线。可以看到，有些系数从始至终都是约为0的，这说明它们不对目标造成任何影响，也就是说这些特征很可能是不需要的。逐步线性回归算法的优点在于它可以帮助人们理解有的模型并做出改进。当构建了一个模型后，可以运行该算法找出重要的特征，这样就有可能及时停止对那些不重要特征的收集。

总结一下：

缩减方法（逐步线性回归或岭回归），就是将一些系数缩减成很小的值或者直接缩减为0。这样做，就增大了模型的偏差（减少了一些特征的权重），通过把一些特征的回归系数缩减到0，同时也就减少了模型的复杂度。消除了多余的特征之后，模型更容易理解，同时也降低了预测误差。但是当缩减过于严厉的时候，就会出现过拟合的现象，即用训练集预测结果很好，用测试集预测就糟糕很多。

四、预测乐高玩具套件的价格

乐高（LEGO）公司生产拼装类玩具，由很多大小不同的塑料插块组成。它的样子如下图所示：

一般来说，这些插块都是成套出售，它们可以拼装成很多不同的东西，如船、城堡、一些著名建筑等。乐高公司每个套装包含的部件数目从10件到5000件不等。

一种乐高套件基本上在几年后就会停产，但乐高的收藏者之间仍会在停产后彼此交易。本次实例，就是使用回归方法对收藏者之间的交易价格进行预测。

1、获取数据

书中使用的方法是通过Google提供的API进行获取数据，但是现在这个API已经关闭，我们无法通过api获取数据了。不过幸运的是，我在网上找到了书上用到的那些html文件。

原始数据下载地址：数据下载

我们通过解析html文件，来获取我们需要的信息，如果学过我的《Python3网络爬虫》，那么我想这部分的内容会非常简单，解析代码如下：

运行结果如下：

我们对没有的商品做了处理。这些特征分别为：出品年份、部件数目、是否为全新、原价、售价（二手交易）。

html解析页面不会使用？那就学习一下爬虫知识吧~！如果对此不感兴趣，也可以跳过获取数据和解析数据，这个过程，当作已知数据，继续进行下一步。

2、建立模型

我们已经处理好了数据集，接下来就是训练模型。首先我们需要添加全为0的特征X0列。因为线性回归的第一列特征要求都是1.0。然后使用最简单的普通线性回归i，编写代码如下：

运行结果如下图所示：

可以看到，模型采用的公式如上图所示。虽然这个模型对于数据拟合得很好，但是看上不没有什么道理。套件里的部件数量越多，售价反而降低了，这是不合理的。

我们使用岭回归，通过交叉验证，找到使误差最小的λ对应的回归系数。编写代码如下：

运行结果如下图所示：

这里随机选取样本，因为其随机性，所以每次运行的结果可能略有不同。不过整体如上图所示，可以看出，它与常规的最小二乘法，即普通的线性回归没有太大差异。我们本期望找到一个更易于理解的模型，显然没有达到预期效果。

现在，我们看一下在缩减过程中回归系数是如何变化的。编写代码如下：