机器算法验证 - 为什么 Lars 和 Glmnet 对 Lasso 问题给出不同的解决方案？ - 吾爱随笔录

为什么 Lars 和 Glmnet 对 Lasso 问题给出不同的解决方案？

机器算法验证 r 回归机器学习套索正则化

2022-01-26 17:35:25

我想更好地理解用于解决套索问题的 R 包Lars和（对于个变量和个样本，见www.stanford.edu/~hastie/Papers/glmnet.pdf第 3 页）Glmnet

m i n_{(β_{0} β) \in R^{p + 1}} [\frac{1}{2 N} \sum_{i = 1}^{N} (y_{i} - β_{0} - x_{i}^{T} β)^{2} + λ | | β | |_{l_{1}}]

$min_{(\beta_0 \beta) \in R^{p+1}} \left[\frac{1}{2N}\sum_{i=1}^{N}(y_i-\beta_0-x_i^T\beta)^2 + \lambda||\beta ||_{l_{1}} \right]$

p

$p$

N

$N$

因此，我将它们都应用在同一个玩具数据集上。不幸的是，对于相同的数据输入，这两种方法并没有给出相同的解决方案。有谁知道差异来自哪里？

我得到的结果如下：在生成一些数据（8 个样本，12 个特征，Toeplitz 设计，一切居中）后，我使用 Lars 计算了整个 Lasso 路径。然后，我使用 Lars 计算的 lambda 序列（乘以 0.5）运行 Glmnet，并希望获得相同的解决方案，但我没有。

可以看到解决方案是相似的。但是我该如何解释这些差异呢？请在下面找到我的代码。这里有一个相关的问题：计算 LASSO 解决方案的 GLMNET 还是 LARS？，但它不包含我的问题的答案。

设置：

# Load packages.
library(lars)
library(glmnet)
library(MASS)

# Set parameters.
nb.features <- 12
nb.samples <- 8
nb.relevant.indices <- 3
snr <- 1
nb.lambdas <- 10

# Create data, not really important. 
sigma <- matrix(0, nb.features, nb.features)
for (i in (1:nb.features)) {
  for (j in (1:nb.features)) {
    sigma[i, j] <- 0.99 ^ (abs(i - j))
  }
}

x <- mvrnorm(n=nb.samples, rep(0, nb.features), sigma, tol=1e-6, empirical=FALSE)
relevant.indices <- sample(1:nb.features, nb.relevant.indices, replace=FALSE)
x <- scale(x)
beta <- rep(0, times=nb.features)
beta[relevant.indices] <- runif(nb.relevant.indices, 0, 1)
epsilon <- matrix(rnorm(nb.samples),nb.samples, 1)
simulated.snr <-(norm(x %*% beta, type="F")) / (norm(epsilon, type="F"))
epsilon <- epsilon * (simulated.snr / snr)
y <- x %*% beta + epsilon
y <- scale(y)

拉尔斯：

la <- lars(x, y, intercept=TRUE, max.steps=1000, use.Gram=FALSE)
co.lars <- as.matrix(coef(la, mode="lambda"))
print(round(co.lars, 4))

#          [,1] [,2] [,3]   [,4]   [,5]   [,6]    [,7]   [,8]    [,9]   [,10]
#  [1,]  0.0000    0    0 0.0000 0.0000 0.0000  0.0000 0.0000  0.0000  0.0000
#  [2,]  0.0000    0    0 0.0000 0.0000 0.1735  0.0000 0.0000  0.0000  0.0000
#  [3,]  0.0000    0    0 0.2503 0.0000 0.4238  0.0000 0.0000  0.0000  0.0000
#  [4,]  0.0000    0    0 0.1383 0.0000 0.7578  0.0000 0.0000  0.0000  0.0000
#  [5,] -0.1175    0    0 0.2532 0.0000 0.8506  0.0000 0.0000  0.0000  0.0000
#  [6,] -0.3502    0    0 0.2676 0.3068 0.9935  0.0000 0.0000  0.0000  0.0000
#  [7,] -0.4579    0    0 0.6270 0.0000 0.9436  0.0000 0.0000  0.0000  0.0000
#  [8,] -0.7848    0    0 0.9970 0.0000 0.9856  0.0000 0.0000  0.0000  0.0000
#  [9,] -0.3175    0    0 0.0000 0.0000 3.4488  0.0000 0.0000 -2.1714  0.0000
# [10,] -0.4842    0    0 0.0000 0.0000 4.7731  0.0000 0.0000 -3.4102  0.0000
# [11,] -0.4685    0    0 0.0000 0.0000 4.7958  0.0000 0.1191 -3.6243  0.0000
# [12,] -0.4364    0    0 0.0000 0.0000 5.0424  0.0000 0.3007 -4.0694 -0.4903
# [13,] -0.4373    0    0 0.0000 0.0000 5.0535  0.0000 0.3213 -4.1012 -0.4996
# [14,] -0.4525    0    0 0.0000 0.0000 5.6876 -1.5467 1.5095 -4.7207  0.0000
# [15,] -0.4593    0    0 0.0000 0.0000 5.7355 -1.6242 1.5684 -4.7440  0.0000
# [16,] -0.4490    0    0 0.0000 0.0000 5.8601 -1.8485 1.7767 -4.9291  0.0000
#         [,11]  [,12]
#  [1,]  0.0000 0.0000
#  [2,]  0.0000 0.0000
#  [3,]  0.0000 0.0000
#  [4,] -0.2279 0.0000
#  [5,] -0.3266 0.0000
#  [6,] -0.5791 0.0000
#  [7,] -0.6724 0.2001
#  [8,] -1.0207 0.4462
#  [9,] -0.4912 0.1635
# [10,] -0.5562 0.2958
# [11,] -0.5267 0.3274
# [12,]  0.0000 0.2858
# [13,]  0.0000 0.2964
# [14,]  0.0000 0.1570
# [15,]  0.0000 0.1571

带有 lambda=(lambda_lars / 2) 的 glmnet：

glm2 <- glmnet(x, y, family="gaussian", lambda=(0.5 * la$lambda), thresh=1e-16)
co.glm2 <- as.matrix(t(coef(glm2, mode="lambda")))
print(round(co.glm2, 4))

#     (Intercept)      V1 V2 V3     V4     V5     V6      V7     V8      V9
# s0            0  0.0000  0  0 0.0000 0.0000 0.0000  0.0000 0.0000  0.0000
# s1            0  0.0000  0  0 0.0000 0.0000 0.0000  0.0000 0.0000  0.0000
# s2            0  0.0000  0  0 0.2385 0.0000 0.4120  0.0000 0.0000  0.0000
# s3            0  0.0000  0  0 0.2441 0.0000 0.4176  0.0000 0.0000  0.0000
# s4            0  0.0000  0  0 0.2466 0.0000 0.4200  0.0000 0.0000  0.0000
# s5            0  0.0000  0  0 0.2275 0.0000 0.4919  0.0000 0.0000  0.0000
# s6            0  0.0000  0  0 0.1868 0.0000 0.6132  0.0000 0.0000  0.0000
# s7            0 -0.2651  0  0 0.2623 0.1946 0.9413  0.0000 0.0000  0.0000
# s8            0 -0.6609  0  0 0.7328 0.0000 1.6384  0.0000 0.0000 -0.5755
# s9            0 -0.4633  0  0 0.0000 0.0000 4.6069  0.0000 0.0000 -3.2547
# s10           0 -0.4819  0  0 0.0000 0.0000 4.7546  0.0000 0.0000 -3.3929
# s11           0 -0.4767  0  0 0.0000 0.0000 4.7839  0.0000 0.0567 -3.5122
# s12           0 -0.4715  0  0 0.0000 0.0000 4.7915  0.0000 0.0965 -3.5836
# s13           0 -0.4510  0  0 0.0000 0.0000 5.6237 -1.3909 1.3898 -4.6583
# s14           0 -0.4552  0  0 0.0000 0.0000 5.7064 -1.5771 1.5326 -4.7298
#         V10     V11    V12
# s0   0.0000  0.0000 0.0000
# s1   0.0000  0.0000 0.0000
# s2   0.0000  0.0000 0.0000
# s3   0.0000  0.0000 0.0000
# s4   0.0000  0.0000 0.0000
# s5   0.0000 -0.0464 0.0000
# s6   0.0000 -0.1293 0.0000
# s7   0.0000 -0.4868 0.0000
# s8   0.0000 -0.8803 0.3712
# s9   0.0000 -0.5481 0.2792
# s10  0.0000 -0.5553 0.2939
# s11  0.0000 -0.5422 0.3108
# s12  0.0000 -0.5323 0.3214
# s13 -0.0503  0.0000 0.1711
# s14  0.0000  0.0000 0.1571

3个回答

最后，我们能够用这两种方法产生相同的解决方案！第一个问题是 glmnet 解决了问题中所述的套索问题，但 lars 在目标函数中的归一化略有不同，它将替换为。其次，两种方法对数据的规范化不同，因此在调用方法时必须关闭规范化。 $\frac{1}{2N}$ $\frac{1}{2}$

为了重现这一点，并看到可以使用 lars 和 glmnet 计算 lasso 问题的相同解决方案，必须更改上面代码中的以下行：

la <- lars(X,Y,intercept=TRUE, max.steps=1000, use.Gram=FALSE)

到

la <- lars(X,Y,intercept=TRUE, normalize=FALSE, max.steps=1000, use.Gram=FALSE)

和

glm2 <- glmnet(X,Y,family="gaussian",lambda=0.5*la$lambda,thresh=1e-16)

到

glm2 <- glmnet(X,Y,family="gaussian",lambda=1/nbSamples*la$lambda,standardize=FALSE,thresh=1e-16)

显然，如果这些方法使用不同的模型，您将得到不同的答案。减去截距项不会导致模型没有截距，因为最佳拟合系数会发生变化，并且您不会按照接近它的方式更改它们。如果您想要相同或几乎相同的答案，则需要使用这两种方法拟合相同的模型。

结果必须相同。lars 包默认使用 type="lar"，将此值更改为 type="lasso"。只需降低 glmnet 的参数“thresh=1e-16”，因为坐标下降是基于收敛的。

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