Como o título indica, estou tentando replicar os resultados do glmnet linear usando o otimizador LBFGS da biblioteca lbfgs. Esse otimizador nos permite adicionar um termo regularizador L1 sem ter que nos preocupar com diferenciabilidade, desde que nossa função objetivo (sem o termo regularizador L1) seja convexa.
O problema da regressão linear líquida elástica no papel glmnet é dado por que X \ in \ mathbb {R} ^ {n \ times p} é a matriz de design, y \ in \ mathbb {R} ^ p é o vetor de observações, \ alpha \ in [0,1] é o parâmetro da rede elástica e \ lambda> 0 é o parâmetro de regularização. O operador \ Vert x \ Vert_p denota a norma Lp usual.
O código abaixo define a função e inclui um teste para comparar os resultados. Como você pode ver, os resultados são aceitáveis quando alpha = 1, mas estão longe dos valores de alpha < 1.O erro piora à medida que avançamos alpha = 1para alpha = 0, como mostra o gráfico a seguir (a "métrica de comparação" é a distância euclidiana média entre as estimativas de parâmetros do glmnet e lbfgs para um determinado caminho de regularização).
Ok, então aqui está o código. Adicionei comentários sempre que possível. Minha pergunta é: por que meus resultados são diferentes dos glmnetvalores de alpha < 1? Claramente, isso tem a ver com o termo de regularização L2, mas, tanto quanto posso dizer, implementei esse termo exatamente conforme o documento. Qualquer ajuda seria muito apreciada!
library(lbfgs)
linreg_lbfgs <- function(X, y, alpha = 1, scale = TRUE, lambda) {
p <- ncol(X) + 1; n <- nrow(X); nlambda <- length(lambda)
# Scale design matrix
if (scale) {
means <- colMeans(X)
sds <- apply(X, 2, sd)
sX <- (X - tcrossprod(rep(1,n), means) ) / tcrossprod(rep(1,n), sds)
} else {
means <- rep(0,p-1)
sds <- rep(1,p-1)
sX <- X
}
X_ <- cbind(1, sX)
# loss function for ridge regression (Sum of squared errors plus l2 penalty)
SSE <- function(Beta, X, y, lambda0, alpha) {
1/2 * (sum((X%*%Beta - y)^2) / length(y)) +
1/2 * (1 - alpha) * lambda0 * sum(Beta[2:length(Beta)]^2)
# l2 regularization (note intercept is excluded)
}
# loss function gradient
SSE_gr <- function(Beta, X, y, lambda0, alpha) {
colSums(tcrossprod(X%*%Beta - y, rep(1,ncol(X))) *X) / length(y) + # SSE grad
(1-alpha) * lambda0 * c(0, Beta[2:length(Beta)]) # l2 reg grad
}
# matrix of parameters
Betamat_scaled <- matrix(nrow=p, ncol = nlambda)
# initial value for Beta
Beta_init <- c(mean(y), rep(0,p-1))
# parameter estimate for max lambda
Betamat_scaled[,1] <- lbfgs(call_eval = SSE, call_grad = SSE_gr, vars = Beta_init,
X = X_, y = y, lambda0 = lambda[2], alpha = alpha,
orthantwise_c = alpha*lambda[2], orthantwise_start = 1,
invisible = TRUE)$par
# parameter estimates for rest of lambdas (using warm starts)
if (nlambda > 1) {
for (j in 2:nlambda) {
Betamat_scaled[,j] <- lbfgs(call_eval = SSE, call_grad = SSE_gr, vars = Betamat_scaled[,j-1],
X = X_, y = y, lambda0 = lambda[j], alpha = alpha,
orthantwise_c = alpha*lambda[j], orthantwise_start = 1,
invisible = TRUE)$par
}
}
# rescale Betas if required
if (scale) {
Betamat <- rbind(Betamat_scaled[1,] -
colSums(Betamat_scaled[-1,]*tcrossprod(means, rep(1,nlambda)) / tcrossprod(sds, rep(1,nlambda)) ), Betamat_scaled[-1,] / tcrossprod(sds, rep(1,nlambda)) )
} else {
Betamat <- Betamat_scaled
}
colnames(Betamat) <- lambda
return (Betamat)
}
# CODE FOR TESTING
# simulate some linear regression data
n <- 100
p <- 5
X <- matrix(rnorm(n*p),n,p)
true_Beta <- sample(seq(0,9),p+1,replace = TRUE)
y <- drop(cbind(1,X) %*% true_Beta)
library(glmnet)
# function to compare glmnet vs lbfgs for a given alpha
glmnet_compare <- function(X, y, alpha) {
m_glmnet <- glmnet(X, y, nlambda = 5, lambda.min.ratio = 1e-4, alpha = alpha)
Beta1 <- coef(m_glmnet)
Beta2 <- linreg_lbfgs(X, y, alpha = alpha, scale = TRUE, lambda = m_glmnet$lambda)
# mean Euclidean distance between glmnet and lbfgs results
mean(apply (Beta1 - Beta2, 2, function(x) sqrt(sum(x^2))) )
}
# compare results
alpha_seq <- seq(0,1,0.2)
plot(alpha_seq, sapply(alpha_seq, function(alpha) glmnet_compare(X,y,alpha)), type = "l", ylab = "Comparison metric")
@ hxd1011 Tentei o seu código, eis alguns testes (fiz alguns pequenos ajustes para combinar com a estrutura do glmnet - observe que não regularizamos o termo de interceptação e as funções de perda devem ser dimensionadas). Isto é para alpha = 0, mas você pode tentar qualquer um alpha- os resultados não correspondem.
rm(list=ls())
set.seed(0)
# simulate some linear regression data
n <- 1e3
p <- 20
x <- matrix(rnorm(n*p),n,p)
true_Beta <- sample(seq(0,9),p+1,replace = TRUE)
y <- drop(cbind(1,x) %*% true_Beta)
library(glmnet)
alpha = 0
m_glmnet = glmnet(x, y, alpha = alpha, nlambda = 5)
# linear regression loss and gradient
lr_loss<-function(w,lambda1,lambda2){
e=cbind(1,x) %*% w -y
v= 1/(2*n) * (t(e) %*% e) + lambda1 * sum(abs(w[2:(p+1)])) + lambda2/2 * crossprod(w[2:(p+1)])
return(as.numeric(v))
}
lr_loss_gr<-function(w,lambda1,lambda2){
e=cbind(1,x) %*% w -y
v= 1/n * (t(cbind(1,x)) %*% e) + c(0, lambda1*sign(w[2:(p+1)]) + lambda2*w[2:(p+1)])
return(as.numeric(v))
}
outmat <- do.call(cbind, lapply(m_glmnet$lambda, function(lambda)
optim(rnorm(p+1),lr_loss,lr_loss_gr,lambda1=alpha*lambda,lambda2=(1-alpha)*lambda,method="L-BFGS")$par
))
glmnet_coef <- coef(m_glmnet)
apply(outmat - glmnet_coef, 2, function(x) sqrt(sum(x^2)))
lbfgse orthantwise_c, como quando alpha = 1, a solução é quase a mesma glmnet. Tem a ver com o lado da regularização L2, por exemplo, quando alpha < 1. Acho que fazer algum tipo de modificação na definição de SSEe SSE_grdeve corrigi-lo, mas não tenho certeza de qual deve ser a modificação - até onde eu sei, essas funções são definidas exatamente como descrito no artigo glmnet.
lbfgslevante um ponto sobre oorthantwise_cargumento sobreglmnetequivalência.