Derivazione della soluzione di lazo in forma chiusa


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Per il problema lazo tale che \ | \ beta \ | _1 \ leq t . Vedo spesso il risultato di soglia minima \ beta_j ^ {\ text {lasso}} = \ mathrm {sgn} (\ beta ^ {\ text {LS}} _ j) (| \ beta_j ^ {\ text {LS}} | - \ gamma) ^ + per il caso X ortonormale . Si sostiene che la soluzione possa essere "facilmente mostrata" come tale, ma non ho mai visto una soluzione funzionante. Qualcuno ha visto uno o forse ha fatto la derivazione?minβ(Y−Xβ)T(Y−Xβ)‖β‖1≤t

βjlasso=sgn(βjLS)(|βjLS|−γ)+
X

Questo sembra leggermente confuso. All'inizio si assume un vincolo t e nella soluzione si introduce un parametro γ . Immagino che tu intenda che questi due siano collegati tramite il doppio problema, ma forse puoi chiarire cosa stai cercando.
— cardinale

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Rispondere parzialmente a @cardinal, trovare la β che minimizza (Y−Xβ)′(Y−Xβ) soggetta a ‖β‖1≤t equivale a trovare la β che minimizza (Y−Xβ)′(Y−Xβ)+γ∑j|βj|. Esiste una relazione 1-1 tra t e γ . Per "facilmente" capire perché il risultato della soglia minima è così, consiglierei di risolvere la seconda espressione (nel mio commento).

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Un'altra nota, quando si trova la β che minimizza (Y−Xβ)′(Y−Xβ)+γ∑j|βj|, suddividi il problema nei casi βj>0 , βj<0 e β=0 .

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Ah cardinale sì, 1-1 non è corretto. Correzione: per ogni t≥0 , è possibile trovare un γ≥0 .

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Grazie per l'ottima discussione! Mi sono imbattuto in questo video su Coursera - Derivare l'aggiornamento della discesa delle coordinate del lazo , che è molto rilevante per questa discussione, e percorre la soluzione in modo molto elegante. Potrebbe essere utile per i futuri visitatori :-)
— Zorbar

Risposte:


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Questo può essere attaccato in diversi modi, compresi approcci abbastanza economici attraverso le condizioni di Karush – Kuhn – Tucker .

Di seguito è un argomento alternativo abbastanza elementare.

La soluzione dei minimi quadrati per un disegno ortogonale

Supponiamo che sia composto da colonne ortogonali. Quindi, la soluzione dei minimi quadrati è X

β^LS=(XTX)−1XTy=XTy.

Alcuni problemi equivalenti

Tramite la forma lagrangiana, è chiaro che un problema equivalente a quello considerato nella domanda è

minβ12‖y−Xβ‖22+γ‖β‖1.

Espandendo il primo termine otteniamo e poiché non contiene alcun delle variabili di interesse, possiamo scartarlo e considerare ancora un altro problema equivalente, 12yTy−yTXβ+12βTβyTy

minβ(−yTXβ+12‖β‖2)+γ‖β‖1.

Notando che , il problema precedente può essere riscritto come β^LS=XTy

minβ∑i=1p−β^iLSβi+12βi2+γ|βi|.

La nostra funzione oggettiva è ora una somma di obiettivi, ciascuno corrispondente a una variabile separata , quindi possono essere risolti singolarmente.βi

Il tutto è uguale alla somma delle sue parti

Risolvi un certo . Quindi, vogliamo minimizzare i

Li=−β^iLSβi+12βi2+γ|βi|.

Se , allora dobbiamo avere poiché altrimenti potremmo capovolgere il suo segno e ottenere un valore inferiore per la funzione obiettivo. Allo stesso modo se , allora dobbiamo scegliere .β^iLS>0βi≥0β^iLS<0βi≤0

Caso 1 : . Dal momento che , differenziandolo rispetto a e impostando uguale a zero , otteniamo e questo è possibile solo se il lato destro non è negativo, quindi in questo caso la soluzione effettiva è β^iLS>0βi≥0

Li=−β^iLSβi+12βi2+γβi,
βiβi=β^iLS−γ
β^ilasso=(β^iLS−γ)+=sgn(β^iLS)(|β^iLS|−γ)+.

Caso 2 : . Ciò implica che dobbiamo avere e quindi Differenziando rispetto a e impostando uguale a zero, otteniamo . Ma, ancora una volta, per garantire che ciò sia fattibile, abbiamo bisogno di , che si ottiene prendendo β^iLS≤0βi≤0

Li=−β^iLSβi+12βi2−γβi.
βiβi=β^iLS+γ=sgn(β^iLS)(|β^iLS|−γ)βi≤0
β^ilasso=sgn(β^iLS)(|β^iLS|−γ)+.

In entrambi i casi, otteniamo la forma desiderata e quindi abbiamo finito.

Osservazioni finali

Notare che con aumentare di , ciascuno deidiminuisce necessariamente, quindi anche . Quando , recuperiamo le soluzioni OLS e, per, otteniamo per tutti .γ|β^ilasso|‖β^lasso‖1γ=0γ>maxi|β^iLS|β^ilasso=0i


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Ottimo commento @cardinal!
— Gary

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+1 L'intera seconda metà può essere sostituita dalla semplice osservazione che la funzione obiettivo è un'unione di parti di due parabole convesse con vertici a , dove il segno negativo è preso per e il positivo altrimenti. La formula è solo un modo elegante di scegliere il vertice inferiore. β→12β2+(±γ−β^)β±γ−β^β<0
— whuber

Se possibile, vorrei vedere le derivazioni usando le condizioni di ottimalità di KKT. Quali altri modi ci sono per ottenere questo risultato?
— user1137731

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@Cardinal: grazie per una bella derivazione. Un'osservazione Se ricordo, la matrice con colonne ortogonali non è la stessa di una matrice ortogonale (aka ortogonale). Quindi per una matrice diagonale (non necessariamente matrice di identità). Con l'assunzione della matrice ortogonale (come nella domanda originale), abbiamo e tutto sembra fantastico :)X′X=DDX′X=I
— Oleg Melnikov

@cardinale Non capisco perché dici "poiché altrimenti potremmo capovolgere il suo segno e ottenere un valore più basso per la funzione obiettivo". Stiamo prendendo la derivata della funzione oggettiva. E se la funzione obiettivo fosse più alta o più bassa, chi se ne frega. Tutto ciò che ci interessa è che la derivata sia impostata su zero, ci preoccupiamo degli estremi. Che sia superiore o inferiore di una costante non influisce sull'argmin.
— user13985

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Si supponga che il covariate , le colonne di , inoltre sono standardizzati in modo che . Questo è solo per comodità in seguito: senza di esso, la notazione diventa più pesante poiché è solo diagonale. Supponi inoltre che . Questo è un presupposto necessario affinché il risultato sia valido. Definisci lo stimatore dei minimi quadrati . Quindi, lo stimatore del lazo (forma lagrangiana) xjX∈Rn×pXTX=IXTXn≥pβ^OLS=arg⁡minβ‖y−Xβ‖22

(defn.)β^λ=arg⁡minβ12n‖y−Xβ‖22+λ‖β‖1(OLS is projection)=arg⁡minβ12n‖Xβ^OLS−Xβ‖22+λ‖β‖1(XTX=I)=arg⁡minβ12n‖β^OLS−β‖22+λ‖β‖1(algebra)=arg⁡minβ12‖β^OLS−β‖22+nλ‖β‖1(defn.)=proxnλ‖⋅‖1(β^OLS)(takes some work)=Snλ(β^OLS),
\ end {align *} dove è l'operatore prossimale di una funzione e soglie morbide per la quantitàproxffSαα.

Questa è una derivazione che salta la derivazione dettagliata dell'operatore prossimale elaborata da Cardinal, ma, spero, chiarisce i passaggi principali che rendono possibile una forma chiusa.

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