--- title: "18 Régression ridge à noyau" author: Pierre-Edouard Portier date: mars 2022 output: beamer_presentation: incremental: false --- ```{r, include=FALSE} source("01_intro_code.R", local = knitr::knit_global()) source("04_validation_croisee_code.R", local = knitr::knit_global()) source("18_kernel_ridge_regression_code.R", local = knitr::knit_global()) ``` # Noyau gaussien >- Jeu de données : $(\mathbf{x_i},y_i) \quad \text{avec} \quad i=1,\dots,n \quad ; \quad y_i \in \mathbb{R} \quad ; \quad \mathbf{x_i} \in \mathbb{R}^d$ >- Un \emph{noyau} $k$ est une mesure de similarité entre observations : $k: \mathbb{R}^d \times \mathbb{R}^d \rightarrow \mathbb{R}$ >- Noyau gaussien $$ k(\mathbf{x_j},\mathbf{x_i}) = exp\left(-\frac{1}{\sigma^2}\|\mathbf{x_j}-\mathbf{x_i}\|^2\right) $$ ```{r, echo=FALSE, fig.height=3, fig.width=4} d <- seq(from=0, to=5, by=0.1) k <- function(sigma,d){exp(-(1/sigma^2)*d^2)} plot(x=d, y=k(1,d), type="l") ``` # Combinaison linéaire de similarités >- $f(\mathbf{x}) = \sum_{i=1}^{n} \alpha_i k(\mathbf{x},\mathbf{x_i})$ >- Chaque $k(\cdot,\mathbf{x_i})$ est une fonction gaussienne >- $f$ est une superposition de fonctions gaussiennes >- Plus $\mathbf{x}$ est proche de $\mathbf{x_i}$, plus $\mathbf{x_i}$ pèse dans le calcul de $\mathbf{x}$ >- Approche \emph{non paramétrique} qui s'adapte aux données au lieu d'adpater les paramètres d'une forme fonctionnelle fixée a priori # Combinaison linéaire de similarités ```{r, echo=FALSE} set.seed(1123) npts <- 8 xi <- runif(npts, min=0, max=5) ci <- rnorm(npts) xs <- seq(from=0, to=5, by=0.1) fi <- function(ci,xi) function(x) ci * exp(-(x-xi)^2) call_f <- function(f,...) f(...) m <- t(matrix(unlist(lapply(Map(fi,ci,xi), call_f, xs)), nrow=npts, byrow=TRUE)) g <- rowSums(m) plot(xs, g, type="l", lty="solid", ylim=range(cbind(g,m))) matplot(xs, m, type="l", lty="dashed", col=1, add=TRUE) points(x=xi, y=rep(0,npts)) ``` # Régression ridge à noyau $$ \begin{aligned} \mathbf{X} &\in \mathbb{R}^{n\times d} \\ \hat{\boldsymbol\beta} &= (\mathbf{X}^T\mathbf{X})^{-1}\mathbf{X}^T\mathbf{y} \quad \text{Régression normale} \\ \hat{\boldsymbol\beta}_\lambda &= \left(\mathbf{X}^T\mathbf{X} + \lambda \mathbf{I}_d\right)^{-1}\mathbf{X}^T\mathbf{y} \quad \text{Régression ridge} \\ \phi &: \mathbb{R}^d \rightarrow \mathbb{R}^k \quad \text{avec } 1 \leq k \leq +\infty \\ \boldsymbol\Phi &= \left[ \phi(\mathbf{x_1}),\dots, \phi(\mathbf{x_n}) \right] \in \mathbb{R}^{n\times k} \end{aligned} $$ # Régression ridge à noyau $$ \begin{aligned} & \hat{\boldsymbol\beta}_\lambda = \left(\boldsymbol\Phi^T\boldsymbol\Phi + \lambda \mathbf{I_k}\right)^{-1}\boldsymbol\Phi^T\mathbf{y} \\ = \{& \text{Identité de Woodbury} \} \\ & \hat{\boldsymbol\beta}_\lambda = \boldsymbol\Phi^T\left(\boldsymbol\Phi\boldsymbol\Phi^T + \lambda \mathbf{I_n}\right)^{-1}\mathbf{y} \\ = \{& \mathbf{\alpha} = \left(\boldsymbol\Phi\boldsymbol\Phi^T + \lambda \mathbf{I_n}\right)^{-1}\mathbf{y} \} \\ & \hat{\boldsymbol\beta}_\lambda = \sum_{i=1}^{n} \alpha_i \phi(\mathbf{x_i}) \\ \end{aligned} $$ # Régression ridge à noyau $$ \begin{aligned} & \hat{y} = \phi(\mathbf{x})^T \hat{\boldsymbol\beta}_\lambda \\ = \{& \text{Voir slide précédent} \} \\ & \hat{y} = \sum_{i=1}^{n} \alpha_i \phi(\mathbf{x})^T \phi(\mathbf{x_i}) \\ = \{& k(\mathbf{x},\mathbf{y}) = \phi(\mathbf{x})^T\phi(\mathbf{y}) \} \\ & \hat{y} = \sum_{i=1}^{n} \alpha_i k(\mathbf{x},\mathbf{x_i}) \\ = \{& K_{ij} = \phi(\mathbf{x_i})^T\phi(\mathbf{x_j}) \quad ; \quad \mathbf{k(x)} = \left[ k(\mathbf{x},\mathbf{x_1}),\dots, k(\mathbf{x},\mathbf{x_n})\right] \} \\ & \hat{y} = \mathbf{k(x)}^T \left( \mathbf{K} + \lambda \mathbf{I_n} \right)^{-1} \mathbf{y} \end{aligned} $$ # Calcul de la régression ridge à noyau >- $\mathbf{G} \triangleq \mathbf{K} + \lambda \mathbf{I_n}$ >- $\boldsymbol\alpha_\lambda = \mathbf{G}^{-1} \mathbf{y}$ >- $\mathbf{\hat{y}} = \mathbf{K}\mathbf{G}^{-1} \mathbf{y}$ >- $\mathbf{K}=\mathbf{Q}\boldsymbol\Lambda\mathbf{Q}^T$ >- $\mathbf{G} = \mathbf{Q} \left( \boldsymbol\Lambda + \lambda \mathbf{I_n} \right) \mathbf{Q}^T$ >- $\mathbf{G}^{-1} = \mathbf{Q} \left( \boldsymbol\Lambda + \lambda \mathbf{I_n} \right)^{-1} \mathbf{Q}^T$ >- $\boldsymbol\alpha_\lambda = \mathbf{Q} \left( \boldsymbol\Lambda + \lambda \mathbf{I_n} \right)^{-1} \mathbf{Q}^T \mathbf{y}$ >- Décomposition de $\mathbf{K}$ en $\mathcal{O}(n^3)$ >- Calcul de $\boldsymbol\alpha_\lambda$ pour $\lambda$ fixé en $\mathcal{O}(n^2)$ # LOOCV pour le choix de $\lambda$ >- $$ LOO_\lambda = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{y_i - \hat{y_{\lambda_i}}}{1 - h_i} \right)^2 $$ >- $$ LOO_\lambda = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{y_i - \left(\mathbf{K}\mathbf{G}^{-1} \mathbf{y}\right)_i}{1 - \left(\mathbf{K}\mathbf{G}^{-1}\right)_{ii}} \right)^2 $$ >- $$ LOO_\lambda = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{\alpha_i}{\left(\mathbf{G}^{-1}\right)_{ii}} \right)^2 $$ >- $$ \left(\mathbf{G}^{-1}\right)_{ij} = \sum_{k=1}^{n} \frac{Q_{ik}Q_{jk}}{\Lambda_{kk} + \lambda} $$ # Choix de l'hyper-paramètre $\sigma^2$ >- Pour des données standardisées : $E\left[\|\mathbf{x_j}-\mathbf{x_i}\|^2\right] = 2d$ >- Avec $\sigma^2=d$, les points les plus proches ont une similarité proche de $1$ et ceux les plus éloignés une similarité proche de $0$. Autrement dit, le noyau gaussien capture alors bien les similarités entre les points. # Exemple sur un jeu de données synthétique ```{r, eval=FALSE} set.seed(1123) n <- 100 data = gendat(n,0.2) splitres <- splitdata(data,0.8) entr <- splitres$entr test <- splitres$test km <- krr(entr$X,entr$Y) yh <- predict(km,test$X) plt(test,f) points(test$X, yh, pch=4) testmae <- mean(abs(yh-test$Y)) ``` # Exemple sur un jeu de données synthétique ```{r, echo=FALSE} set.seed(1123) n <- 100 data = gendat(n,0.2) splitres <- splitdata(data,0.8) entr <- splitres$entr test <- splitres$test km <- krr(entr$X,entr$Y) yh <- predict(km,test$X) plt(test,f) points(test$X, yh, pch=4) testmae <- mean(abs(yh-test$Y)) ``` - Erreur absolue moyenne de `r round(testmae,2)` sur le jeu de test