一点关于正则化的笔记

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最近被同学问到了机器学习里正则化这一概念的一些问题,包括如何理解 L1 和 L2 正则化起到的效果。在讨论的过程中,我们从约束的角度尝试理解了为什么 L1 正则化可能使参数为 0,而 L2 正则化更倾向于缩小参数。


正则化的概念

首先回顾一下正则化的相关概念:

为了防止模型过拟合,机器学习中经常会在损失函数中加入正则项,称之为正则化(Regularization)。通过在损失函数上加上某些规则(限制),缩小解空间,从而减少求出过拟合解的可能性。

设目标函数为 $f(w)$,正则项为 $R(w)$,则带正则项的优化问题表示为: \(\min_{w \in \mathbb{R}^n} \; f(w) + \lambda R(w)\) 其中:

  • $w \in \mathbb{R}^n$ :模型参数;
  • $f(w)$:经验损失函数(如平方误差、交叉熵等);
  • $R(w)$:正则项(regularizer);
  • $\lambda > 0$:正则化系数,调控正则项与损失项之间的权衡。

L2 正则化,又称为 Ridge 正则化,通过惩罚参数向量的 L2 范数平方,鼓励权重向量整体收缩(shrinkage),从而提升模型的稳定性与泛化能力。

L2 正则项定义为参数平方和:

\[R_{L2}(w) = \|w\|_2^2 = \sum_{i=1}^{n} w_i^2\]

对应的正则化优化问题为:

\[\min_{w \in \mathbb{R}^n} \; f(w) + \lambda \|w\|_2^2\]

L2 正则化具有一些基本特性:

  • 可导性强:L2 正则项为光滑函数(smooth function),一阶导数连续,因此适用于梯度下降类优化方法。

  • 整体收缩效应(Weight Shrinkage):L2 正则化会对每个参数 $w_i$ 施加与其平方成正比的惩罚项。对于绝对值较大的权重,其平方更大,惩罚显著;而对于接近零的权重,其平方趋近于零,几乎不受到惩罚。具体而言:

    \[\text{若} \ |w_i| \gg 1 \Rightarrow w_i^2 \gg 1 \Rightarrow \text{惩罚项大} \\ \text{若} \ |w_i| \ll 1 \Rightarrow w_i^2 \ll 1 \Rightarrow \text{惩罚项小}\]

    因此,L2 正则化不会诱导稀疏性(不会使 $w_i$ 精确为 0),但能有效抑制过大的权重。

  • 数值稳定性与解的存在性(闭式解):在使用正规方程(Normal Equation)求解线性回归参数时,L2 正则化能确保矩阵求逆时始终存在逆,即使特征矩阵 $X$ 存在共线性问题。令目标函数为最小二乘损失:

    \[\min_{w} \; \|Xw - y\|_2^2 + \lambda \|w\|_2^2\]

    对应的解析解为:

    \[w^* = (X^\top X + \lambda I)^{-1} X^\top y\]

    由于 $\lambda > 0$,矩阵 $X^\top X + \lambda I$ 始终是正定的,从而保证其可逆性,即逆 $(X^\top X + \lambda I)^{-1}$ 一定存在。这一性质提升了数值计算的稳定性。

L1 正则化,又称为 Lasso 正则化,通过最小化参数向量的 L1 范数(即绝对值之和)来鼓励稀疏性。

具体而言,L1 正则项定义为: \(R_{L1}(w) = \|w\|_1 = \sum_{i=1}^{n} |w_i|\)

优化问题为:

\[\min_{w \in \mathbb{R}^n} \; f(w) + \lambda \|w\|_1\]

随着大规模特征数据的广泛应用,工业场景对模型的稀疏性和可解释性提出了更高要求。此时,L2 正则化已无法满足实际需求:虽然它可压缩参数幅度,使其趋近于零,但不会使权重真正等于零,因此无法直接“舍弃”冗余特征。

相比之下,L1 正则化具有明确的 稀疏性诱导能力。它在优化过程中倾向于使大量参数权重精确地收缩为零,进而实现显式的特征选择。优化完成后,所有满足 $w_i = 0$ 的特征可被忽略,从而减少模型存储与计算负担。

L0 正则化 直接对参数向量中非零元素的个数进行惩罚,鼓励模型尽可能地使用更少的参数,从而达到稀疏性目的。

令 $w = (w_1, w_2, \dots, w_n)^\top \in \mathbb{R}^n$,L0 正则项定义为:

\[R_{L0}(w) = \|w\|_0 = \sum_{i=1}^{n} \mathbf{1}_{w_i \ne 0}\]

对应的优化问题为:

\[\min_{w \in \mathbb{R}^n} \; f(w) + \lambda \|w\|_0\]

从直观上看,利用非零参数的个数,可以很好的来选择特征,实现特征稀疏的效果,具体操作时选择参数非零的特征即可。但因 L0 正则化很难求解,是个 NP-hard 问题,因此一般采用 L1 正则化。L1 正则化是 L0 正则化的最优凸近似,比 L0 容易求解,并且也可以实现稀疏的效果。


正则化问题与约束问题等价性的数学推导

问题设定

设 $f: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}$ 为目标函数,$R: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}$ 为正则项或约束项。我们考虑以下两类优化问题:

(1)正则化形式(惩罚形式):

\[(\mathbf{P1}) \quad \min_{w \in \mathbb{R}^n} \; f(w) + \lambda R(w), \quad \lambda > 0\]

(2)约束形式:

\[(\mathbf{P2}) \quad \min_{w \in \mathbb{R}^n} \; f(w) \quad \text{s.t.} \; R(w) \leq C, \quad C > 0\]

我们的目标是说明:在适当条件下,存在一一对应的参数 $\lambda \leftrightarrow C$,使得问题 $(\mathbf{P1})$ 与 $(\mathbf{P2})$ 在最优解上等价。

拉格朗日对偶性构建

考虑约束问题 $(\mathbf{P2})$:

\[\min_{w \in \mathbb{R}^n} \; f(w) \quad \text{s.t.} \; R(w) \leq C\]

构造其 拉格朗日函数:

\[L(w, \lambda) = f(w) + \lambda (R(w) - C), \quad \lambda \geq 0\]

定义对应的 拉格朗日对偶函数 $g(\lambda)$ 为:

\[g(\lambda) = \inf_{w \in \mathbb{R}^n} L(w, \lambda) = \inf_{w} \left[ f(w) + \lambda (R(w) - C) \right]\]

则对应的对偶问题为:

\[(\mathbf{D}) \quad \max_{\lambda \geq 0} \; g(\lambda)\]

对偶函数提供原问题的下界

对于任意 $\lambda \geq 0$,有:

\[g(\lambda) \leq f(w), \quad \forall w \; \text{s.t.} \; R(w) \leq C\]

因此,$g(\lambda)$ 是原问题 $(\mathbf{P2})$ 最优值的下界:

\[g(\lambda) \leq f^*, \quad \forall \lambda \geq 0\]

其中 $f^*$ 表示原问题的最优值。

强对偶性与等价条件

若满足:

  • $f(w)$ 为凸函数;
  • $R(w)$ 为凸函数;
  • 存在严格可行解 $\exists w_0, \; R(w_0) < C$(满足 Slater 条件);

则根据凸优化中的 强对偶性定理,有:

\[\max_{\lambda \geq 0} g(\lambda) = \min_{w, \; R(w) \leq C} f(w) = f^*\]

并且,若 $w^$ 为原问题最优解,$\lambda^$ 为对偶问题最优解,则 $(w^, \lambda^)$ 满足 KKT 条件。

KKT 最优性条件

设约束函数 $g(w) := R(w) - C$,则 KKT 条件包括:

  • 原始可行性(Primal feasibility):

    \[R(w^*) \leq C\]
  • 对偶可行性(Dual feasibility):

    \[\lambda^* \geq 0\]
  • 互补松弛性(Complementary slackness):

    \[\lambda^* (R(w^*) - C) = 0\]
  • 最优性条件(Stationarity):

    \[\nabla f(w^*) + \lambda^* \nabla R(w^*) = 0\]

与正则项问题的对应关系

正则化问题 $(\mathbf{P1})$:

\[\min_{w} \; f(w) + \lambda R(w)\]

可以视为约束问题 $(\mathbf{P2})$ 的 拉格朗日松弛形式,其中 $\lambda$ 为拉格朗日乘子,$C$ 为约束上限。

若 $(w^, \lambda^)$ 满足 KKT 条件,则 $w^*$ 同时是 $(\mathbf{P1})$ 与 $(\mathbf{P2})$ 的最优解,且最优值相等。

因此,在满足强对偶条件的前提下,可建立如下参数映射关系:

  • 对于每个 $\lambda > 0$,存在唯一的 $C = R(w^*(\lambda))$ 使得 $(\mathbf{P1})$ 与 $(\mathbf{P2})$ 等价;
  • 反之,对于每个 $C > 0$,存在对应的 $\lambda(C)$ 使等价成立。

结论

定理(正则化-约束等价性):

设 $f(w)$ 和 $R(w)$ 为凸函数,且存在 $w$ 满足 $R(w) < C$。则以下两个优化问题:

  • 正则化形式:

    \[\min_{w} \; f(w) + \lambda R(w)\]
  • 约束形式:

    \[\min_{w} \; f(w) \quad \text{s.t.} \; R(w) \leq C\]

在某些参数对 $(\lambda, C)$ 下具有相同的最优解,并且满足强对偶性,最优值相等。


从约束优化角度理解 L1 与 L2 正则化的直观意义

根据前述推导,正则化问题:

\[\min_{w \in \mathbb{R}^n} \; f(w) + \lambda R(w)\]

在满足一定条件(如 $f(w)$ 与 $R(w)$ 为凸函数,且存在严格可行解)下,与约束问题:

\[\min_{w \in \mathbb{R}^n} \; f(w) \quad \text{s.t.} \; R(w) \leq C\]

是等价的,其中 $\lambda > 0$ 是拉格朗日乘子,$C > 0$ 为约束上限。这一结论为我们提供了对常用正则项的更直观几何解释:

L2 正则化约束:控制权重的欧氏长度

L2 正则化对应的正则项为:

\[R_{L2}(w) = \|w\|_2^2 = \sum_{i=1}^{n} w_i^2\]

其等价的约束形式为:

\[\min_{w} \; f(w) \quad \text{s.t.} \; \|w\|_2^2 \leq C\]

该约束表示所有参数向量 $w$ 必须落在一个以原点为中心的 L2 球(Euclidean ball)中,其几何形状是光滑的球面:

  • 惩罚的是参数的整体能量大小(length squared);
  • 没有偏向任何坐标轴方向;
  • 解通常为非稀疏的(所有参数趋于非零但较小);
  • 具有良好的数值稳定性与解析可解性。

L1 正则化约束:控制权重的绝对值和

L1 正则化对应的正则项为:

\[R_{L1}(w) = \|w\|_1 = \sum_{i=1}^{n} |w_i|\]

其等价的约束形式为:

\[\min_{w} \; f(w) \quad \text{s.t.} \; \|w\|_1 \leq C\]

该约束限制参数向量必须位于一个以原点为中心的 L1 范数球(Manhattan ball)中。在二维情况下,该集合为菱形(diamond),在高维空间中呈现多面体状:

  • 由于角点(vertices)落在坐标轴上,最优解倾向于出现在这些角点处;
  • 导致大量参数为 $0$,实现稀疏性诱导;
  • 适合特征选择与模型压缩等任务;
  • 优化问题为凸但不可微(在 $w_i = 0$ 处)。

几何直观:等高线与约束边界的切点

考虑最小化损失函数 $f(w)$ 的等高线与正则项约束集合的几何交互:

  • 在 L2 正则化下,等高线最早触碰到的是圆形边界的某点,通常落在内部平滑区域,导致参数非零但较小;
  • 在 L1 正则化下,等高线更易在边角点处达到最小值,从而使某些维度精确为零。

小结

项目L1 正则化L2 正则化
范数定义$|w|_1 = \sum |w_i|$$|w|_2^2 = \sum w_i^2$
对应约束$|w|_1 \leq C$$|w|_2^2 \leq C$
几何形状L1 球(菱形/多面体)L2 球(圆形/椭球)
解的结构稀疏,偏好角点($w_i = 0$)平滑收缩,解非稀疏
应用场景特征选择、模型压缩防止过拟合、提升稳定性

因此,从约束角度理解 L1 与 L2 正则化,不仅揭示了其在几何与优化性质上的根本差异,也为正则项选择提供了理论依据和实践指导。