L1正则化及其推导\(L1\)正则化及其推导

(L1)正则化及其推导

在机器学习的Loss函数中，通常会添加一些正则化（正则化与一些贝叶斯先验本质上是一致的，比如(L2)正则化与高斯先验是一致的、(L1)正则化与拉普拉斯先验是一致的等等，在这里就不展开讨论）来降低模型的结构风险，这样可以使降低模型复杂度、防止参数过大等。大部分的课本和博客都是直接给出了(L1)正则化的解释解或者几何说明来得到(L1)正则化会使参数稀疏化，本来会给出详细的推导。

(L1)正则化

大部分的正则化方法是在经验风险或者经验损失(L_{emp})（emprirical loss）上加上一个结构化风险，我们的结构化风险用参数范数惩罚(Omega(theta))，用来限制模型的学习能力、通过防止过拟合来提高泛化能力。所以总的损失函数（也叫目标函数）为：

[ J(theta; X, y) = L_{emp}(theta; X, y) + alphaOmega(theta) tag{1.1} ]

其中(X)是输入数据，(y)是标签，(theta)是参数，(alpha in [0,+infty])是用来调整参数范数惩罚与经验损失的相对贡献的超参数，当(alpha = 0)时表示没有正则化，(alpha)越大对应该的正则化惩罚就越大。对于(L1)正则化，我们有：

[ Omega(theta) = |w|_1 tag{1.2} ]

其中(w)是模型的参数。

几何解释

图1 上面中的蓝色轮廓线是没有正则化损失函数的等高线，中心的蓝色点为最优解，左图、右图分别为$L2$、$L1$正则化给出的限制。

可以看到在正则化的限制之下，(L2)正则化给出的最优解(w^*)是使解更加靠近原点，也就是说(L2)正则化能降低参数范数的总和。(L1)正则化给出的最优解(w^*)是使解更加靠近某些轴，而其它的轴则为0，所以(L1)正则化能使得到的参数稀疏化。

解析解的推导

有没有偏置的条件下，(theta)就是(w)，结合式((1.1))与((1.2))，我们可以得到(L1)正则化的目标函数：

[ J(w; X, y) = L_{emp}(w; X, y) + alpha|w|_1 tag{3.1} ]

我们的目的是求得使目标函数取最小值的(w^*)，上式对(w)求导可得：

[ nabla_w J(w; X, y) = nabla_w L_{emp}(w; X, y) + alpha cdot sign(w) tag{3.2} ]
其中若(w>0)，则(sign(w)=1)；若(w<0)，则(sign(w) = -1)；若(w=0)，则(sign(w)=0)。当(alpha = 0)，假设我们得到最优的目标解是(w^*)，用秦勤公式在(w^*)处展开可以得到（要注意的(nabla J(w^*)=0)）：

[ J(w; X, y) = J(w^*; X, y) + frac{1}{2}(w - w^*)H(w-w^*) tag{3.3} ]

其中(H)是关于(w)的Hessian矩阵，为了得到更直观的解，我们简化(H)，假设(H)这对角矩阵，则有：

[ H = diag([H_{1,1},H_{2,2}...H_{n,n}]) tag{3.4} ]

将上式代入到式((3.1))中可以得到，我们简化后的目标函数可以写成这样：

[ J(w;X,y)=J(w^*;X,y)+sum_ileft[frac{1}{2}H_{i,i}(w_i-w_i^*)^2 + alpha_i|w_i| right] tag{3.5} ]

从上式可以看出，(w)各个方向的导数是不相关的，所以可以分别独立求导并使之为0，可得：

[ H_{i,i}(w_i-w_i^*)+alpha cdot sign(w_i)=0 tag{3.6} ]

我们先直接给出上式的解，再来看推导过程：

[ w_i = sign(w^*) maxleft{ |w_i^*| - frac{alpha}{H_{i,i}},0 right} tag{3.7} ]

从式((3.5))与式((3.6))可以得到两点：

• 1.可以看到式((3.5))中的二次函数是关于(w^*)对称的，所以若要使式((3.5))最小，那么必有：(|w_i|<|w^*|)，因为在二次函数值不变的程序下，这样可以使得(alpha|w_i|)更小。
• 2.(sign(w_i)=sign(w_i^*))或(w_1=0)，因为在(alpha|w_i|)不变的情况下，(sign(w_i)=sign(w_i^*))或(w_i=0)可以使式((3.5))更小。

由式((3.6))与上述的第2点：(sign(w_i)=sign(w_i^*))可以得到：

[ begin{split} 0 &= H_{i,i}(w_i-w_i^*)+alpha cdot sign(w_i^*) cr w_i &= w_i^* - frac{alpha}{H_{i,i}}sign(w_i^*) cr w_i &= sign(w_i^*)|w_i^*| - frac{alpha}{H_{i,i}}sign(w_i^*)cr &=sign(w_i^*)(|w_i^*| - frac{alpha}{H_{i,i}}) cr end{split} tag{3.8} ]
我们再来看一下第2点：(sign(w_i)=sign(w_i^*))或(w_1=0)，若(|w_i^*| < frac{alpha}{H_{i,i}})，那么有(sign(w_i) neq sign(w_i^*))，所以这时有(w_1=0)，由于可以直接得到解式((3.7))。
从这个解可以得到两个可能的结果：

• 1.若(|w_i^*| leq frac{alpha}{H_{i,i}})，正则化后目标中的(w_i)的最优解是(w_i=0)。因为这个方向上(L_{emp}(w; X, y))的影响被正则化的抵消了。
• 2.若(|w_i^*| > frac{alpha}{H_{i,i}})，正则化不会推最优解推向0，而是在这个方面上向原点移动了(frac{alpha}{H_{i,i}})的距离。

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