CSCI3230 L02 · Part 5/5 ESTR3108:矩阵与投影
课程:CSCI3230 (ESTR3108) Fundamentals of Artificial Intelligence · 2026T1
本讲:L02,第 5 部分 / 共 5 部分 · 原件 L02-Linear-Regression-2026T1.pdf(本地课件) p.43–55
定位:先弄清“解得出”与“解唯一”,再用一个二维例子理解最小二乘的几何意义。
前后:上一份 Summary
这是 ESTR3108 扩展。 p.43 明确标出 ESTR3108;p.44 的路线是解析解的条件和子空间视角。如果你现在只想学会基础回归,先完成 Part 1–4 的建表、预测、RSS 和评价即可。这篇需要点积、矩阵乘法与平方和;零空间和列空间会在下面从例子定义,不要求你预先背好术语。
哪一步需要逆矩阵(p.45–46)
先回忆已经得到的结论,而不把整个求导再压成一行。X 有 m 行、d 列:m 是样本数,d 是参数数目,包含截距时常写成 n+1。参数 θ 是 d×1,标签 Y 是 m×1。最小化 ∥Xθ−Y∥22,求导为零给出
XTXθ^=XTY.左边先由 XTX 得 d×d 矩阵,再乘参数,结果为 d×1;右边同样为 d×1。这叫正规方程。它是一组线性方程,不等于已经成功求了逆。 p.45 重列推导,p.46 才追问:XTX 若没有逆怎么办?
**p.45 的推导在本篇复现:**先展开
J=θTXTXθ−YTXθ−θTXTY+YTY.对称二次项给 2XTXθ,两个交叉项各给 −XTY,常数项导数为零,所以 ∇J=2XT(Xθ−Y)。梯度零得到正规方程。二阶导为 2XTX,对任意 v 的二次型是 2∥Xv∥22。它总非负,但是否严格正,正是本篇下一节要检查的列无关条件;原页写“严格正”和逆矩阵式时,必须补上这个前提。
一个没有逆、却很好理解的例子
补充自取两条样本:
X=(1111),Y=(24),θ=(θ0θ1).两列完全相同。因此不管怎么选参数,两个预测都等于 s=θ0+θ1。先把两个参数暂时合成这个数,目标变为
(s−2)2+(s−4)2=2s2−12s+20=2(s−3)2+2.最后一步是配方。平方项最小为 0,所以最好的 s 是 3,最小 RSS 是 2。此时预测一定是 (3,3)T,但参数可以是 (3,0)T、(0,3)T、(2,1)T,还有无穷多组。
再看矩阵:
XTX=(2222),XTY=(66).正规方程的两行其实都是 2θ0+2θ1=6,只给出一条独立信息。不能把两条一样的信息当作两个独立条件来区分两个参数。
所以这里不是“最小二乘没解”,而是“最优参数不唯一”。唯一的训练预测和唯一的参数要分开说。数值软件可用 QR/SVD 或伪逆处理;本节先理解为什么会不唯一,不要求初学者先掌握这些算法。
相同零空间为什么等价于列满秩(p.47–49)【新】
零空间:哪些参数改动会被数据完全看不见
取上例的向量 v=(1,−1)T。它不是零向量,但
Xv=(1−11−1)=(00).如果原参数是 θ,改成 θ+v,新预测为 Xθ+Xv=Xθ,完全不变。第一参数加 1、第二参数减 1 的效果抵消了。所有满足 Xv=0 的向量构成 零空间,记作 null(X)。它描述数据分辨不出来的参数变化方向。
列线性无关的意思就是:只有把各列的系数全取 0,才会相加成零向量。换成矩阵式,就是 Xv=0 只能有 v=0。有 d 个独立列时称“列满秩”,rank(X)=d。这些词是在用不同角度表达同一件事:不存在非零而不可见的参数改动。
为什么检查 X,就能知道 XᵀX 有无逆
p.47 给出结论,p.48 的关键桥梁是
null(XTX)=null(X).从右往左很容易:如果 Xv=0,再左乘 XT,仍然是零。反方向不能“约掉 XT”,因为我们还不知道任何可逆性。要用平方和:若 XTXv=0,两边左乘 vT,就得到 ∥Xv∥22=0;实数的平方和只有每项都零时才为零,因此 Xv=0。符号慢拆见附录 A1。
现在串起三个判断:XTX 是方阵;它可逆,当且仅当零空间只有零向量;由于两个零空间相同,这又当且仅当 X 列满秩。于是可逆时才有
θ^=(XTX)−1XTY.p.49 写成 rank(X)=n+1,因为课件用 n 表示特征数,另有一个截距参数。至少需 m≥n+1,但这只是数量上的必要条件。上面两行两列的反例已经满足数量,却仍列相关。“样本多”不自动变成“信息足够”。这里也不要把列线性无关混成统计上的独立抽样;它们判断的对象不同。
小检查:多抄一遍数据能补救吗?
把上例两行再复制十遍,能让参数唯一吗?不能。无论多少行,两个特征列仍完全相同,(1,−1)T 仍在零空间中。重复观测可能有统计用途,但不能消除这两个列之间的精确代数关系。
列空间是所有可能预测的集合(p.50–52)【新】
上一节在参数空间里问“哪些改动看不见”;现在换到预测空间,问“这个模型可能输出哪些预测”。设 X 的第 j 列为 cj,则
Xθ=θ1c1+⋯+θdcd.参数只是各列前面的权重。把所有参数都试一遍,能得到的向量集合叫 列空间,记作 S=col(X)。它在 Rm 中;一个坐标对应一个样本的预测。不要把这里的二维图误当成 Part 1 的“横轴输入、纵轴标签”散点图。
p.50 说:若真实标签向量 Y 已在 S 中,就存在某组参数满足 Xθ=Y,RSS 可为零;若 Y 不在里面,只能在允许的预测中找离它最近的一个。
去掉截距,看一条允许的方向
p.51–52 暂用单个非零列向量 X 演示。补充取
X=(12),Y=(20).这表示两条样本、一个参数、无截距:第一个预测为 θ,第二个预测为 2θ。所以 θ=0 时输出 (0,0),θ=1 时输出 (1,2),θ=2 时输出 (2,4)。所有可能预测都在穿过原点、方向为 (1,2) 的直线上。
要预测恰好 (2,0),第一坐标要求 θ=2,第二坐标却要求 θ=0,矛盾。不是算法不够努力,而是这个模型的输出范围本来就到不了目标。
图(p.51–52)可按这个意思读:灰色箭头标 X 的方向,红色箭头为真实 Y,橙色箭头为沿 X 的不同候选预测,黑色虚线连接两个终点。调参数只让候选沿灰色直线移动;红色目标不跟着转动。
补充 · 样本空间的投影,不是把特征轴画斜一点(通识讲解;演示数据不属于原题)。
投影图中的一个坐标代表一条训练样本的预测值,因此有 m 条样本时,Y 和 Xθ 都住在 m 维“样本空间”。这与把一个样本的多个特征画在横纵轴上的“特征空间”不同。即使每个样本只有一个输入,十条样本的预测向量仍有十个坐标。
演示 X=(1,1)T,表示两条样本都只能预测同一个常数;Y=(1,3)T。列空间是所有 (a,a)T,最近的点是 (2,2)T,残差是 (1,−1)T(预测减真实),点积 1−1=0。这里两条样本各有误差,误差相加为零让截距无法再改进总平方和。若改用 (2,3)T 作为预测,虽然第二条误差更小,却已不在允许的列空间里;不能拿模型表达不了的向量与可行参数混比。
正交性给出同一正规方程(p.53–55)
先找最近的数字,再看垂直
用刚才两条样本,RSS 是
(θ−2)2+(2θ−0)2=5θ2−4θ+4=5(θ−0.4)2+3.2.因此最佳参数是 0.4,最佳预测 Y^=(0.4,0.8)T,最小 RSS 为 3.2。每一步可以直接检查:(−1.6)2+0.82=2.56+0.64=3.2。
现在把残差写成从预测指向真实标签的向量:
r=Y−Y^=(1.6−0.8).它与允许方向 X 的点积为 1×1.6+2×(−0.8)=0。欧氏空间里两个非零向量点积为零,表示它们垂直。p.53 的三幅候选图中,中间那幅正好是垂足:从目标向允许的直线作垂线,落点就是最近预测。这里“投影”是找这个落点,不是取图上某个坐标轴分量。
为什么垂直保证最近,而不只是碰巧算对
把最佳预测再沿允许方向移动 tX。原残差是 r,新残差变成 r−tX。用点积展开平方长度:
∥r−tX∥22=(r−tX)T(r−tX)=rTr−2tXTr+t2XTX=3.2−2t×0+5t2=3.2+5t2.第二行有交叉项;第三行用垂直条件让它为零。这才是关键。任何 t 都只会额外加一个非负数;例如 t=1 时 RSS 为 8.2。因此它是所有候选中最小的,而非只在附近较小。
**p.53 原页的一列公式:**当 X=0 时,正交条件 XT(Y−Xθ^1)=0 变为 XTY−(XTX)θ^1=0。此处 XTX 是正标量,故
θ^1=XTXXTY,Y^=XTXXTYX.代本篇教学数据,分子为 1×2+2×0=2,分母为 12+22=5,仍得到 0.4。p.51 的“平行时唯一精确解”也要以 X=0 为前提;若 X=0 且 Y=0,任何参数都精确拟合,就不唯一。
多列时:对每个允许方向都垂直
若 X 不止一列,允许预测不再局限于一条线。p.54 要残差与每一列都垂直,于是把各列点积排起来得到
XT(Y−Xθ^)=0.移项便是 XTXθ^=XTY,与求导路线得到的正规方程相同。p.55 的结论因而不是“两个不相关公式恰好一样”,而是它们都在检查:沿模型允许的任何预测变化,还能否进一步缩短误差?
任选别的参数 θ^+Δ,新的预测比原来多 XΔ。因为 XTr=0,所以 rTXΔ=0,同样展开可得
∥r−XΔ∥22=∥r∥22+∥XΔ∥22≥∥r∥22.若列满秩,非零 Δ 必带来非零 XΔ,误差严格增加,参数唯一。若不满秩,有些非零 Δ 仍使 XΔ=0,参数可变而预测不变。这把开头的“两列一样”例子接回来了。
小检查:正交残差一定等于零吗?
不一定。上例的残差 (1.6,−0.8) 并非零向量,却与 X 垂直。“没有能继续改善的允许方向”不等于“误差已消失”。只有 Y 原本就在列空间中,最小二乘才可能精确拟合。
补充:把投影写成一个真的矩阵,再检查两次投影
沿用正文 X=(1,2)T,XTX=5。将预测式中负责作用于 Y 的部分单独拿出,得到投影矩阵
P=X(XTX)−1XT=51(1224).对 Y=(2,0)T,PY=(0.4,0.8)T。再作用一次,第一项为 (0.4+1.6)/5=0.4,第二项为 (0.8+3.2)/5=0.8,预测不变。代数上内层矩阵平方为 (5101020),乘 1/25 仍是 P,所以 P2=P。这叫幂等:已经落在允许的列空间里,再投影不会再移动。
残差 r=(1.6,−0.8)T 则满足 Pr=0,因为 1.6−1.6=0、3.2−3.2=0。因此同一个标签可拆成 Y=PY+(I−P)Y:第一部分在模型能输出的空间里,第二部分在它的正交方向上。P对称也可从表直接看出。这里只针对列满秩公式构造 P;列相关时投影依然存在,但不能继续写一个不存在的逆矩阵。
本讲核心考点
- 正规方程可先写,逆矩阵必须有条件;条件是 X 列满秩。
- 样本数够是必要条件,列之间仍需提供独立信息。
- 列空间收集所有训练预测;最小二乘寻找标签向量在其中的正交投影。
- 最佳训练预测唯一,但列相关时达到它的参数可以不唯一。
以上为 p.43–55 的 ESTR 拓展,不将几何证明列作 CSCI 初学核心线的前置门槛。
附录
A1 两个零空间相同的双向证明
如果正文的一串等号仍太快,把它拆成两次“任取一个向量”。v 有 d 个分量;Xv 有 m 个分量。
第一方向。 任取满足 Xv=0 的 v。左乘 XT:XTXv=XT0=0。因此每个属于 X 零空间的向量,也属于 XTX 的零空间。
第二方向。 任取满足 XTXv=0 的 v。两边左乘 vT,得到标量零:
0=vTXTXv=(Xv)T(Xv)=i=1∑m(Xv)i2.中间等号用转置乘法规则 (Xv)T=vTXT;最后等号是向量和自己的点积。每一项都是实数平方,不可能靠正负抵消,因而每一项都为 0,即 Xv=0。
两次包含共同证明集合相等。只证第一方向只能得包含,尚不足以推出等价条件。方阵可逆当且仅当零空间只含零向量,再把相同零空间接上,才得到可逆与列满秩等价。
回到正文:相同零空间为什么等价于列满秩
来源与证据
- 核对当前 L02-Linear-Regression-2026T1.pdf(本地课件) p.43–55 的文字公式,并视觉核对 p.53 投影图;页码为 55 页阅读版的 PDF 页号。
- 两列相同和二维投影数字例为补充教学例,非课件原题;与原件的正规方程、列满秩条件及投影论证分别对应。
- 本节不根据未重新核读的往年试卷新增考试范围判断。