最小二乘的目标是极小化 $\|y - Hx\|^2$。对代价函数求导并令导数为 $0$ 即得 $H^T(y - H\hat x)=0$。几何上,这个方程表示残差 $r = y - H\hat x$ 与 $H$ 的每一列都正交,即残差正交于列空间 $R(H)$。
从抛硬币到正规方程——最大似然、最小二乘和 Kalman Filter 并不是三件孤立的事。
掌握最小二乘问题的数学形式与正规方程的推导
建议先完成前面的课程,或具备线性代数与概率论基础。
硬币正面概率为 $\theta$。第 $i$ 次投掷:
单次观测概率:
🔍 为什么这个式子成立? 如果 $x_{i}=1$:$\theta^1(1-\theta)^0 = \theta$;如果 $x_{i}=0$:$\theta^0(1-\theta)^1 = 1-\theta$。一个式子覆盖两种情况。
假设 $X_{i}$ 独立同分布:
取 log:
求导:
令导数为 0:
化简得到:
💡 通俗解释: 估计硬币正面概率,最合理的答案就是历史上正面出现的比例。
如果真实正面概率是 $\theta$,则样本均值会随着 $n$ 增大收敛到 $\theta$:
📊 意义: ML 估计在这个例子里是合理的——样本越多,估计越准。
很多工程问题可以写成:
其中 $y$ 是观测,$H$ 是已知矩阵,$x$ 是未知量。
但现实中有噪声,所以常常没有任何 $x$ 能让方程完全成立。于是我们改问:
🎯 哪个 $x$ 让 $Hx$ 离 $y$ 最近?——这就是最小二乘。
方程 $y = Hx$ 有解当且仅当:
其中 $R(H)$ 是 $H$ 的列空间——$H$ 的所有列向量能线性组合出来的空间。
$H = \begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix}$,$y = \begin{bmatrix}2\\4\end{bmatrix}=2H$,有解。
$y = \begin{bmatrix}2\\5\end{bmatrix}$ 不在列空间直线上,没有精确解。
若没有精确解,定义:
残差:
最小二乘就是让残差长度最小。
定义代价函数:
展开:
对 $x$ 求导并令为 0:
得到 Normal Equation(正规方程):
如果 $H$ 满列秩,则 $H^T H$ 可逆:
这就是最常见的最小二乘公式。
如果 $H$ 不满列秩,存在非零 $x_{c}$ 使得 $H x_{c} = 0$。
若 $\hat x$ 是一个最小二乘解,那么 $\hat x + x_{c}$ 也是解,因为:
⚠️ 重要: 不满秩时,解不唯一。需要额外的约束(如最小范数解)来选出特定的解。
$H\hat x$ 是 $y$ 在 $R(H)$ 上的投影。
其中 $P_{R(H)}$ 是到 $H$ 列空间上的正交投影算子。
想象三维空间中有一个平面(即 $R(H)$)。任意一个点 $y$ 到这个平面的"最近点"就是 $y$ 在平面上的垂直投影。垂直意味着残差与平面正交:
这正是正规方程 $H^T(y - H\hat x)=0$ 的几何含义——残差与列空间的每个列向量都正交。
将正规方程代入残差定义:
🔑 关键洞察: 最小二乘解 $\hat x$ 使得残差 $r = y - H\hat x$ 正交于列空间 $R(H)$。这正是"最小"二乘的本质——残差长度取极小值等价于残差与列空间正交。
$y$ 分为两部分:$H\hat x \in R(H)$(投影)和 $r \perp R(H)$(残差)。
勾股定理:$\|y\|^2 = \|H\hat x\|^2 + \|r\|^2$。
$H^T r = 0$ 表示残差与 $H$ 的每一列正交。这就是"正规"二字的来源——残差与列空间正交(normal)。
🧭 预览: 这个"最小二乘 = 投影"的几何视角,在后面 LMMSE 和 Kalman Filter 中会反复出现。每个滤波器本质上都在做"在某个空间中找投影"。
【概念理解】 请解释为什么最小二乘解 $\hat x$ 满足 $H^T(y - H\hat x)=0$。这个方程的几何意义是什么?
最小二乘的目标是极小化 $\|y - Hx\|^2$。对代价函数求导并令导数为 $0$ 即得 $H^T(y - H\hat x)=0$。几何上,这个方程表示残差 $r = y - H\hat x$ 与 $H$ 的每一列都正交,即残差正交于列空间 $R(H)$。
【数值计算】 给定 $H = \begin{bmatrix}1 & 2 \\ 1 & 1 \\ 1 & 0\end{bmatrix}$,$y = \begin{bmatrix}2 \\ 3 \\ 1\end{bmatrix}$。请计算:
① $H^T H$ 和 $H^T y$;
② 正规方程的解 $\hat x = (H^T H)^{-1} H^T y$;
③ 残差 $r = y - H\hat x$,验证 $H^T r = 0$。
① $H^T H = \begin{bmatrix}3 & 3 \\ 3 & 5\end{bmatrix}$,$H^T y = \begin{bmatrix}6 \\ 7\end{bmatrix}$。
② $(H^T H)^{-1} = \frac16 \begin{bmatrix}5 & -3 \\ -3 & 3\end{bmatrix}$,$\hat x = \begin{bmatrix}1.5 \\ 0.5\end{bmatrix}$。
③ $H\hat x = \begin{bmatrix}2.5 \\ 2.0 \\ 1.5\end{bmatrix}$,$r = \begin{bmatrix}-0.5 \\ 1.0 \\ -0.5\end{bmatrix}$,$H^T r = \begin{bmatrix}0 \\ 0\end{bmatrix}$ ✓。
【几何思考】 如果 $H$ 不满列秩,最小二乘解不唯一。从几何角度看,这些解对应的 $H\hat x$ 有什么共同点?
所有最小二乘解 $\hat x$ 对应的 $H\hat x$ 都是一样的——都是 $y$ 在 $R(H)$ 上的正交投影。因为 $Hx$ 只取决于 $x$ 在 $R(H^T)$ 中的分量;$x$ 的零空间分量不影响投影结果。几何上,$y$ 到列空间的投影是唯一的,但投影在参数空间中的表示可以有很多种。
【ML 联系】 在偏硬币问题中,ML 估计 $\hat\theta = \frac{1}{n}\sum x_i$。你能把它改写成最小二乘的形式吗?提示:令 $y = [x_1, \ldots, x_n]^T$,选择合适的 $H$。
取 $H = [1,1,\ldots,1]^T$(全 1 列向量),则 $y = H\theta$ 的最小二乘解为 $\hat\theta = (H^T H)^{-1} H^T y = \frac{1}{n}\sum x_i$。这正是样本均值。这说明在 i.i.d. 高斯噪声假设下,ML 估计与最小二乘估计等价。
施老师大课堂 · 研讨会系列 11 · KF L8 硬币ML、最小二乘与正规方程
字幕来源:subtitles/20260207_施凌_研讨会系列11_KF_L8_audio_a62b1f0dcb013892.srt