intro_to_ml/03_tikhonov_slides.Rmd

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title: "03 Régularisation de Tikhonov"
author: Pierre-Edouard Portier
date: mars 2022
output: beamer_presentation
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```{r, include=FALSE}
source("01_intro.R", local = knitr::knit_global())
source("03_tikhonov.R", local = knitr::knit_global())
```

# Problèmes linéaires mal posés

- Pas de solution unique pour $\mathbf{X}\boldsymbol\beta=\mathbf{y}$ avec $n<p$
- Avec $n \geq p$, colinéarités $\leadsto$ solution _irrégulière_

\[
\left( \begin{array}{cc}
1 & 1 \\
1 & 1.00001 \\
\end{array} \right)
\left( \begin{array}{c}
\beta_1 \\ \beta_2
\end{array} \right)
=
\left( \begin{array}{c}
1 \\ 0.99
\end{array} \right)
\]

- Solution optimale  : $\boldsymbol\beta^T = (1001,-1000)$
  - $(1,2)$ projetée sur $-999$
- Solution approchée préférable : $\boldsymbol\beta^T = (0.5,0.5)$
  - $(1,2)$ projetée sur $1.5$

# Régularisation de Tikhonov ou régression ridge

- Préférence pour les petits coefficients
- Mesurée par $\|\boldsymbol\beta\|_1 = |\beta_1|+|\beta_2|+\dots$
- Ou par $\|\boldsymbol\beta\|_2^2 = \beta_1^2+\beta_2^2+\dots$

$$
\begin{aligned}
& \min_{\boldsymbol\beta} \|\mathbf{X}\boldsymbol\beta-\mathbf{y}\|^2_2 + \lambda \|\boldsymbol\beta\|^2_2 \\
& avec \quad 0 \leq \lambda
\end{aligned}
$$

- Résolution par annulation de la dérivée

$$
\begin{aligned}
 & \mathbf{0} = 2\mathbf{X}^T\mathbf{X}\boldsymbol\beta - 2\mathbf{X}^T\mathbf{y} + 2\lambda\boldsymbol\beta \\
=& \\
 & \left( \mathbf{X}^T\mathbf{X} + \lambda \mathbf{I}_{n\times n} \right) \boldsymbol\beta = \mathbf{X}^T \mathbf{y}
\end{aligned}
$$

# Standardisation

- Contraction vers $0$ de $\beta_i^2$
- Intensité de la régularisation dépend de l'échelle de la variable
- Mise à l'échelle des variables par standardisation
  - $z_{ij} = \frac{x_{ij}-\bar{x_j}}{\sigma_j}$
- Possible de seulement centrer $\mathbf{y}$

$$
\begin{aligned}
 & \mathbf{\hat{y_i}} - \bar{\mathbf{y}} = \sum_{j=1}^{p} \hat{\beta_j} \left( \frac{x_{ij}-\bar{x_j}}{\sigma_j} \right) \\
= \{& \text{arithmétique} \} \\
 & \mathbf{\hat{y_i}} = \left( \bar{\mathbf{y}} - \sum_{j=1}^{p} \hat{\beta_j} \frac{\bar{x_j}}{\sigma_j} \right) +
   \sum_{j=1}^{p} \frac{\hat{\beta_j}}{\sigma_j} x_{ij} \\
\end{aligned}
$$

# Exemple

```{r, echo=FALSE}
set.seed(1123)
# Image par f d'un échantillon uniforme sur l'intervalle [0,1], avec ajout d'un
# bruit gaussien de moyenne nulle et d'écart type 0.2
data = gendat(10,0.2)

par(mfrow=c(1,3))
coef <- ridge(0, data, 7)
plt(data,f,main=expression(paste(plain("Degré = "), 7, plain(", "), lambda,
                                 plain(" = 0"))))
pltpoly(coef)
coef <- ridge(1E-4, data, 7)
plt(data,f,main=expression(paste(plain("Degré = "), 7, plain(", "), lambda,
                                 plain(" = 1E-4"))))
pltpoly(coef)
coef <- ridge(1, data, 7)
plt(data,f,main=expression(paste(plain("Degré = "), 7, plain(", "), lambda,
                                 plain(" = 1"))))
pltpoly(coef)
```

# Convergence des coefficients vers $0$

```{r, echo=FALSE}
lambdas <- c(1E-5, 1E-4, 1E-3, 1E-2, 1E-1, 1)
lcoef <- sapply(lambdas, ridge, data, 7)
matplot(lambdas, t(lcoef), type=c("b"), pch=1, col=1:8, log="x")
legend("topright", legend = 0:7, col=1:8, pch=1)
```

# Régularisation et complexité

- $F(\mathbf{X}) = \mathbf{W}^T\mathbf{X} + b$
- $\mathbf{X^*} = \mathbf{X} + \mathbf{\epsilon}$
- Régularité : $\mathbf{X}$ et $\mathbf{X^*}$ proches $\leadsto$ $F(\mathbf{X})$ et $F(\mathbf{X^*})$ proches

$$
\begin{aligned}
 & |F(\mathbf{X}) - F(\mathbf{X^*})| \\
= \{& F(\mathbf{X}) = \mathbf{W}^T\mathbf{X} + b \} \\
 & |\mathbf{W}^T\mathbf{X} - \mathbf{W}^T\mathbf{X^*}| \\
= \{& \text{Algèbre linéaire} \} \\
 & |\mathbf{W}^T(\mathbf{X}-\mathbf{X^*})| \\
= \{& \mathbf{X^*} = \mathbf{X} + \mathbf{\epsilon} \} \\
 & |\mathbf{W}^T \mathbf{\epsilon}| \\
\leq \{& \text{Inégalité de Cauchy-Schwarz} \} \\
 & \|\mathbf{W}\|_2 \|\mathbf{\epsilon}\|_2 \\
\end{aligned}
$$