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c++怎么实现广义线性回归算法_c++ 矩阵求逆与最小二乘法【指南】

穿越時空

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发布时间:2025-12-30 15:20:07

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应避免直接调用arma::pinv()或arma::inv(),因GLM需IRLS迭代求解加权最小二乘,显式构造XᵀWX易放大误差;推荐用arma::solve(Xw, yw, arma::solve_opts::no_approx)基于QR分解稳健求解。

c++怎么实现广义线性回归算法_c++ 矩阵求逆与最小二乘法【指南】

为什么不用现成库直接调用 arma::pinv()arma::solve()

因为广义线性回归(GLM)不是简单最小二乘;它需要迭代重加权最小二乘(IRLS),每轮都要解一个带权重的加权最小二乘问题:w * Xw * y。直接对设计矩阵 X 求逆(比如用 arma::inv())既不稳定也不必要——尤其当 X 列满秩都不满足时,inv() 会崩溃或返回垃圾值。更可靠的做法是用 QR 分解或 SVD 解加权系统,而 Armadillo 的 arma::solve(A, b, arma::solve_opts::fast) 默认走 QR,已足够稳健。

如何用 Armadillo 正确实现加权最小二乘更新步

IRLS 每轮需解:argmin_β || W^(1/2) (X β − y) ||²,等价于求解:(Xᵀ W X) β = Xᵀ W y。但显式构造 Xᵀ W X 会放大数值误差,应避免。推荐直接调用带权重的求解接口:

arma::vec weighted_ls_solve(
    const arma::mat& X,
    const arma::vec& y,
    const arma::vec& w
) {
    arma::mat Xw = arma::diagmat(arma::sqrt(w)) * X;
    arma::vec yw = arma::diagmat(arma::sqrt(w)) * y;
    return arma::solve(Xw, yw, arma::solve_opts::no_approx);
}
  • arma::solve_opts::no_approx 强制使用更稳的 QR(而非默认可能启用的快速近似)
  • 权重向量 w 必须非负;若出现 w(i) == 0,对应样本被完全忽略,sqrt(w) 仍合法
  • X 高度共线性,可改用 arma::solve(Xw, yw, arma::solve_opts::svd) 启用 SVD 降维

Logistic 回归中 IRLS 权重和工作响应怎么算

以 logistic 为例:链接函数 g(μ) = logit(μ) = log(μ/(1−μ)),方差函数 V(μ) = μ(1−μ)。第 k 轮迭代中:

  • 当前预测均值:mu = 1.0 / (1.0 + arma::exp(-X * beta_old))
  • 工作响应:z = X * beta_old + (y - mu) % (1.0 / (mu % (1.0 - mu)))
  • 权重:w = mu % (1.0 - mu)
  • 然后调用 weighted_ls_solve(X, z, w) 得到新 beta_new

注意:% 是 Armadillo 的逐元乘法;所有中间量必须用 arma::vec/arma::mat,不能混用裸数组——否则隐式转换可能静默截断精度。

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常见崩溃点和绕过方式

实际调试时最常卡在三处:

  • std::bad_alloc:发生在构造超大 arma::mat(如百万级样本 × 百维特征)时。解决方法是改用分块计算或换 arma::sp_mat(稀疏矩阵),但 GLM 权重通常稠密,慎用稀疏
  • arma::solve(): solution not found:说明当前 Xw 秩亏。不要急着加岭参数,先检查 w 是否全为零(比如初始 beta 过大导致 mu 全趋 0 或 1),或加入防溢出 clamp:mu = arma::clamp(mu, 1e-15, 1.0 - 1e-15)
  • 收敛震荡:IRLS 不保证全局收敛。建议限制最大迭代次数(通常 20–50 足够),并监控目标函数变化:deviance = 2 * arma::sum(y % arma::log((y+1e-15)/(mu+1e-15)) + (1-y) % arma::log((1-y+1e-15)/(1-mu+1e-15)))

真正麻烦的是链接函数和分布不匹配——比如用 identity 链接配泊松响应却不做非负约束,这时候数值解出来也无意义。算法能跑通,不代表模型对。

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