关于算法:R语言中的多项式回归局部回归核平滑和平滑样条回归模型

在规范线性模型中，咱们假如。当线性假如无奈满足时，能够思考应用其余办法。

多项式回归

扩大可能是假如某些多项式函数，

同样，在规范线性模型办法（应用 GLM 的条件正态分布）中，参数能够应用最小二乘法取得，其中在。

即便此多项式模型不是真正的多项式模型，也可能依然是一个很好的近似值。实际上，依据 Stone-Weierstrass 定理，如果在某个区间上是间断的，则有一个对立的近似值，通过多项式函数。

仅作阐明，请思考以下数据集

 db = data.frame(x=xr,y=yr)
plot(db)

与规范回归线

reg = lm(y ~ x,data=db)
abline(reg,col="red")

思考一些多项式回归。如果多项式函数的次数足够大，则能够取得任何一种模型，

reg=lm(y~poly(x,5),data=db)

然而，如果次数太大，那么会取得太多的“稳定”，

reg=lm(y~poly(x,25),data=db)

并且估计值可能不牢靠：如果咱们更改一个点，则可能会产生（部分）更改

 yrm=yr;yrm[31]=yr[31]-2 
lines(xr,predict(regm),col="red")

部分回归

实际上，如果咱们的趣味是部分有一个很好的近似值，为什么不应用部分回归？

应用加权回归能够很容易地做到这一点，在最小二乘公式中，咱们思考

在这里，我思考了线性模型，然而能够思考任何多项式模型。在这种状况下，优化问题是

能够解决，因为

例如，如果咱们想在某个时候进行预测，思考。应用此模型，咱们能够删除太远的观测值，

更个别的想法是思考一些核函数给出权重函数，以及给出邻域长度的一些带宽（通常示意为 h），

这实际上就是所谓的 Nadaraya-Watson 函数预计器。
在后面的案例中，咱们思考了对立核，

然而应用这种权重函数具备很强的不连续性不是最好的抉择，尝试高斯核，

这能够应用

 w=dnorm((xr-x0))
reg=lm(y~1,data=db,weights=w)

在咱们的数据集上，咱们能够绘制

 w=dnorm((xr-x0))
plot(db,cex=abs(w)*4)
lines(ul,vl0,col="red")
axis(3)
axis(2)
reg=lm(y~1,data=db,weights=w)
u=seq(0,10,by=.02)
v=predict(reg,newdata=data.frame(x=u))
lines(u,v,col="red",lwd=2)

在这里，咱们须要在点 2 进行部分回归。上面的水平线是回归（点的大小与宽度成比例）。红色曲线是部分回归的演变

让咱们应用动画来可视化曲线。

然而因为某些起因，我无奈在 Linux 上轻松装置该软件包。咱们能够应用循环来生成一些图形

 name=paste("local-reg-",100+i,".png",sep="")
png(name,600,400)
 

for(i in 1:length(vx0)) graph (i)

而后，我应用

当然，能够思考部分线性模型，

 return(predict(reg,newdata=data.frame(x=x0)))}

甚至是二次（部分）回归，

 lm(y~poly(x,degree=2), weights=w)

当然，咱们能够更改带宽

请留神，实际上，咱们必须抉择权重函数（所谓的核）。然而，有（简略）办法来抉择“最佳”带宽 h。穿插验证的想法是思考

是应用部分回归取得的预测。

咱们能够尝试一些实在的数据。

library(XML)
 
data = readHTMLTable(html)

整顿数据集，

 plot(data$no,data$mu,ylim=c(6,10))
segments(data$no,data$mu-1.96*data$se,

咱们计算标准误差，反映不确定性。

 for(s in 1:8){reg=lm(mu~no,data=db, 
lines((s predict(reg)[1:12]

所有节令都应该被认为是齐全独立的，这不是一个很好的假如。

 smooth(db$no,db$mu,kernel = "normal",band=5)

咱们能够尝试查看带宽较大的曲线。

db$mu[95]=7
  
plot(data$no,data$mu

lines(NW,col="red")

接下来，探讨回归中的平滑办法。假如，是一些未知函数，但假设足够平滑。例如，假如是间断的，存在，并且是间断的，存在并且也是间断的等等。如果足够平滑，能够应用泰勒展开式。因而，对于

也能够写成

第一局部只是一个多项式。

应用黎曼积分，察看到

因而，

咱们有线性回归模型。一个天然的想法是思考回归，对于

给一些节点。

plot(db)

如果咱们思考一个节点，并扩大阶数 1，

 B=bs(xr,knots=c(3),Boundary.knots=c(0,10),degre=1)
 
lines(xr[xr<=3],predict(reg)[xr<=3],col="red")
lines(xr[xr>=3],predict(reg)[xr>=3],col="blue")

能够将用该样条取得的预测与子集（虚线）上的回归进行比拟。

 lines(xr[xr<=3],predict(reg)[xr<=3


lm(yr~xr,subset=xr>=3)

这是不同的，因为这里咱们有三个参数（对于两个子集的回归）。当要求间断模型时，失去了一个自由度。察看到能够等效地写

 lm(yr~bs(xr,knots=c(3),Boundary.knots=c(0,10)

回归中呈现的函数如下

当初，如果咱们对这两个重量进行回归，咱们失去

 matplot(xr,B

abline(v=c(0,2,5,10),lty=2)

如果加一个节点，咱们失去

预测是

 lines(xr,predict(reg),col="red")

咱们能够抉择更多的节点

 lines(xr,predict(reg),col="red")

咱们能够失去一个置信区间

 polygon(c(xr,rev(xr)),c(P[,2],rev(P[,3]))

points(db)

如果咱们放弃先前抉择的两个节点，但思考泰勒的 2 阶的开展，咱们失去

 matplot(xr,B,type="l")
abline(v=c(0,2,5,10),lty=2)

如果咱们思考常数和基于样条的第一局部，咱们失去

 B=cbind(1,B)
lines(xr,B[,1:k]%*%coefficients(reg)[1:k],col=k-1,lty=k-1)

如果咱们将常数项，第一项和第二项相加，则咱们失去的局部在第一个节点之前位于左侧，

k=3
lines(xr,B[,1:k]%*%coefficients(reg)[1:k]

通过基于样条的矩阵中的三个项，咱们能够失去两个节点之间的局部，

 lines(xr,B[,1:k]%*%coefficients(reg)[1:k]

最初，当咱们对它们求和时，这次是最初一个节点之后的右侧局部，

k=5

这是咱们应用带有两个（固定）节点的二次样条回归失去的后果。能够像以前一样取得置信区间

 polygon(c(xr,rev(xr)),c(P[,2],rev(P[,3]))

points(db)
lines(xr,P[,1],col="red")

应用函数，能够确保点的连续性。

再一次，应用线性样条函数，能够减少连续性束缚，

 lm(mu~bs(no,knots=c(12*(1:7)+.5),Boundary.knots=c(0,97),


lines(c(1:94,96),predict(reg),col="red")

然而咱们也能够思考二次样条，

 abline(v=12*(0:8)+.5,lty=2)

lm(mu~bs(no,knots=c(12*(1:7)+.5),Boundary.knots=c(0,97),

多项式回归

部分回归

样条平滑