正交、投影与最小二乘

本节目标

你将从“找子空间内最近点”理解正交投影和最小二乘,推导残差正交条件,区分拟合值是否唯一与参数是否唯一,并知道正规方程适合解释但不应被机械实现为显式求逆。

正交与投影

若 ,两向量正交。把 投影到非零向量 的方向:

例:、,投影为 ,残差 与 正交。

若 是两两正交且长度为 1 的基,将它们组成 ,则投影到其列空间可写:

正交基使坐标计算清晰,也避免重复方向互相干扰。Gram–Schmidt 可从独立列构造正交基;数值库通常使用更稳定的 QR 实现,而不是照搬最朴素手算过程。

为什么最小二乘是投影

当 无精确解,寻找使残差平方长度最小的 :

是 在 列空间上的最近点,残差 与列空间正交:

得到正规方程:

这解释了线性回归:预测落在特征列张成的空间里,剩余误差与每个特征列正交。

若 满列秩,参数解唯一;若列相关,最接近的拟合向量 仍可能唯一,但产生它的参数可以有多个。SVD 型最小二乘求解器通常选择某个最小范数解,必须查看具体 API 契约。

在 满列秩时,理论投影矩阵可写为:

这条式子用于理解,不是默认实现建议。显式形成逆矩阵会增加计算和数值风险;秩不足时该逆不存在。下一节将用条件数解释为什么 QR/SVD 路径更稳妥。

一元线性回归

模型 。最小化:

将全 1 列加入设计矩阵即可把偏置并入参数。项目脚本用等价闭式公式计算 ,并检查残差和、残差与中心化 的点积接近 0。

中心化 后,斜率和截距为:

分母为 0 表示所有 相同,无法从数据识别斜率。分母很小则提示近常量特征和敏感性风险。

数值与统计边界

  • 正规方程便于理解,但显式计算 可能放大数值问题;工程库通常用 QR、SVD 或专用最小二乘求解器。
  • 最小二乘给出代数最优拟合,不自动满足因果解释、独立同分布或同方差等统计假设。
  • 离群值因平方损失被放大;是否换鲁棒损失取决于数据机制,而不是为了得到更好看的分数。
  • 训练残差最小不等于泛化最好;数据划分、噪声、过拟合与不确定性要结合 概率统计 和 机器学习 判断。

与 Embedding/检索的联系

  • 投影把高维向量分解为“某子空间内的成分 + 正交残差”。
  • 降维是在较低维子空间保留主要结构。
  • 将 query 映射到某领域子空间可能强化相关方向,也可能丢失关键信息。
  • cosine 相似度中的点积和正交概念源于同一几何。

常见误区、练习与自测

  1. 手算 在 上的投影。系数为 ,投影 。
  2. 验证残差 与 点积为 0。
  3. 用三个点 (0,1)、(1,3)、(2,5) 手算斜率和截距。
  4. 解释列相关时“拟合向量可唯一”与“参数不唯一”为什么能同时成立。
  5. 给出一个不适合用平方损失的离群点场景,并说明需要核查的数据机制。

误区:最近点依赖所选范数; 最近不等于任何损失下都最优;特征缩放会影响正则化和数值条件;不可逆矩阵不应强行求逆。

  • 我能从投影解释正规方程。
  • 我知道工程中不应默认显式求逆。
  • 我能区分代数拟合与统计因果结论。
  • 我能写出一元闭式解,并识别分母为 0 的秩问题。
  • 我知道参数唯一性取决于列秩。

参考资料

核验日期:2026-07-14。

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