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方法Method

局部多项式回归

Local polynomial regression · Local linear regression · 局部线性回归

在每个查询邻域解加权多项式拟合,用矩复制解释边界去偏,并核算负权重、局部秩与噪声代价。

形式陈述 ​

局部多项式回归在每个查询 x 附近重新拟合一个低次多项式,用其在 x 处的值预测条件均值 m(x)。各查询有各自的系数,并不要求整个函数是同一个多项式。

给定一维训练对、次数 p≥0、带宽 h>0、非负核形状 K,令 ui=(Xi−x)/h、ai=K(ui)、rp(u)=(1,u,…,up)⊤。求

(1)β^(x)∈arg⁡minβ∈Rp+1∑iai[Yi−rp(ui)⊤β]2,m^p,h(x)=β^0(x).

设 R 第 i 行为 rp(ui)⊤,W=diag(ai),e0=(1,0,…,0)⊤。本页实施规则要求 W1/2R 满列秩;否则报告“局部设计秩不足”,需要预定的扩大带宽或降阶规则才能继续。至少 p+1 个互异、正权重输入是一维中的充分必要条件。

由加权最小二乘的正规方程,唯一系数和预测为

β^=(R⊤WR)−1R⊤WY,m^p,h(x)=∑iℓi(x)Yi,(2)ℓ(x)⊤=e0⊤(R⊤WR)−1R⊤W.

这里 β1/h 才是拟合曲线在查询处的斜率;使用无量纲 ui 可以避免不同幂次直接带来过大的数值尺度差。式(2)用逆矩阵表达数学对象,实现应采用QR或SVD而非显式求逆。

p=0 恰给NW核回归;p=1 称局部线性回归。固定输入和调参后,预测对响应线性,但权重 ℓi 可以为负。下文统计计算取 Yi=m(Xi)+εi;给定设计及已冻结的独立调参资料,噪声条件均值为零、条件独立、条件方差为 σi2。这些权重不能再由当前响应选择;需要不条件于独立资料的结果时,最后再对该资料平均。

直觉

局部常数把邻居的高度混在一起。若邻居都在查询右侧,曲线又在上升,平均会高估左端高度。局部直线先估斜率,再把邻居移回查询位置,因此可以消去这种由一阶趋势造成的偏差。

这一校正依靠矩条件。常数复制要求权重和为1;直线复制还要求加权位移和为0。单侧所有位移都为正时,除非只用位移为零的点,否则要满足第二条就必须允许负权重。负权重是局部外推的代价,也会放大噪声。

三点平均与局部直线的边界比较
例子与边界

同一函数,两个位置,全部数值可算 ​

取 m(t)=t+t2,先把响应取为无噪声均值。各窗口内三个点等权;框核在窗口端点也取正值。

内部查询 x=1/2,输入为 (1/4,1/2,3/4),响应为 (5/16,3/4,21/16)。位移关于0对称,局部常数和局部线性截距都为三点平均

m^(1/2)=19/24,m(1/2)=3/4,

偏差为 1/24。二者的响应权重均为 (1/3,1/3,1/3)。

边界查询 x=0,输入为 (0,1/4,1/2),响应为 (0,5/16,3/4)。局部常数预测 17/48。对局部直线,令未缩放位移 ti=Xi−x,Sj=∑iaitij,则

(3)ℓi=ai(S2−tiS1)S0S2−S12.

在这三个点上得到 (5/6,1/3,−1/6),故

m^1,h(0)=13516−1634=−148.

真实 m(0)=0,局部线性消除了斜率引起的一阶偏差,但留下曲率偏差,甚至略低于全部响应。若给三个响应各加独立方差 σ2 的噪声,局部常数方差为 σ2/3,局部线性方差为

σ2[(5/6)2+(1/3)2+(−1/6)2]=5σ2/6.

偏差缩小不等于MSE在所有噪声水平下都缩小。这里两方法MSE分别为 289/2304+σ2/3 与 1/2304+5σ2/6,局部线性较小恰在 σ2<1/4 时成立。

同一边界设计,缩小尺度看偏差阶 ​

把边界三点改为 (0,a,2a),仍取 m(t)=t+t2。局部常数的偏差为 a+5a2/3,局部线性的权重保持不变,偏差为 −a2/3。在内部查询处用对称三点 (x−a,x,x+a),两方法的偏差都是 2a2/3。这组精确代数直接展示了一阶项如何只在单侧平均中出现。

次数升到 p=2 后,这三个点可以恰好拟合真二次函数;查询0也是一个训练输入,截距权重为 (1,0,0)。无噪声偏差消失,但噪声方差变为 σ2。刚好足够插值的局部设计没有额外观测供平均。

秩不足和接近秩不足 ​

所有正权重输入都等于同一个非查询点时,不能识别局部直线的截距与斜率。即使输入稍有不同,查询在它们之外也可能极不稳定。例如两个输入为 a,a+ϵ、查询0,局部直线权重为 ((a+ϵ)/ϵ,−a/ϵ);若 a>0 固定、ϵ→0,同方差噪声的方差趋于无穷。

所以“有两个点”只保证代数可解,不保证有足够几何信息。加小正则项会改变矩复制性质,截去小奇异值也改变所解问题;都应报告实际规则,而不能继续声称完全复制同阶多项式。

推论与应用

矩复制和偏差界的完整机制 ​

把式(2)右乘 R 得

(4)ℓ⊤R=e0⊤,∑iℓiuij={1,j=0,0,1≤j≤p.

因此任意次数至多 p 的多项式响应都在查询处被精确复制。这个结论是设计矩阵的恒等式,在内部和边界都成立,无须输入对称。

若在查询至所有正权重点的区间上 m 有 p+1 阶导数,且 |m(p+1)|≤M,Taylor余项给

m(Xi)=∑j=0pm(j)(x)j!(Xi−x)j+ri,|ri|≤M(p+1)!|Xi−x|p+1.

式(4)消去所有低阶误差,故

(5)|bX(x)|≤BX(x):=M(p+1)!∑i|ℓi||Xi−x|p+1.

绝对值不能省。负权重之间可以抵消某条具体曲线的偏差,却不能抵消最坏情形余项上界。噪声条件独立时方差为 ∑iℓi2σi2;这两项再由MSE分解相加。

如果一列随 n 变化的设计满足:非零权重点距查询至多 h、∑i|ℓi|≤C1、∑iℓi2≤C2/(nh),且条件方差有统一上界,则局部线性 p=1 有

(6)E[(m^−m(x))2∣X1:n]≤Ch4+C′nh.

这给 h≍n−1/5、MSE O(n−4/5)。有限三点例本身不满足“nh 个有效观测不断增长”的条件,不能据缩小三个点的间距推出噪声方差趋零。局部矩阵的稳定性必须随样本量保持,才可把有限样本界升级为这条速率。

d维局部线性使用常数和 d 个坐标位移,需满秩的局部设计。若二阶Taylor余项为 O(‖t−x‖2)、权重总绝对值有界且平方和为 O((nhd)−1),同理得到 h4+(nhd)−1,平衡后为 h≍n−1/(d+4)、MSE O(n−4/(d+4))。这些是给定稳定设计条件的上界;本页没有证明极小极大下界。

实现和推断 ​

一次查询先计算权重并检查局部秩,再对 W1/2R 作QR。令 q=p+1,直接密集实现每查询约 O(nq2+q3) 工作、O(nq) 存储;紧支撑核可先筛出 N 个非零点,拟合部分改为 O(Nq2+q3),筛点成本另计。算法没有渐近迭代停止,线性求解需给秩阈值与残差容差。

在回归不连续设计中,可分别在阈值两侧拟合局部直线,再取两个截距之差;本页处理估计,潜在结果连续性等因果识别条件仍由该设计负责。式(5)则可进入局部均值置信区间。选MSE小的带宽与取得名义覆盖仍是两个待验证的目标。

自测与答案 ​

  1. 边界三个点的响应若为 2+3Xi,局部线性预测0处是多少?为2,因为权重和为1、加权位移和为0。
  2. 上例 p=1、|m″|≤2 的偏差界 BX 是多少?BX=(1/3)(1/4)2+(1/6)(1/2)2=1/16。实际偏差绝对值 1/48 更小;界保护的是全部满足曲率界的函数。
参考资料
关系图谱22 个相邻概念 · 4 类关系

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