LA 101
M11 · L01
الوحدة 11: تطبيقات تعلم الآلة

النماذج الخطية

من الانحدار إلى آلات المتجهات الداعمة، أقوى الأفكار في تعلم الآلة هي تعبيرات عن الجبر الخطي. مصفوفة التصميم X هي العمود الفقري لكل نموذج خطي — نظّم البيانات فيها، والباقي حساب مصفوفات.

01 / 12
LA 101
M11 · L01
الانحدار الخطي

مصفوفة التصميم

بناءً على n مثالاً بـ p ميزة لكل منها، رتّبها في مصفوفة تصميم X بأبعاد n×p. يتنبأ النموذج بالمخرجات كـ y = Xβ + ε. إيجاد β يعني حل مسألة المربعات الصغرى — تصغير المسافة التربيعية من y إلى فضاء أعمدة X.

النموذج الخطي
\mathbf{y}=X\boldsymbol{\beta}+\boldsymbol{\varepsilon}
02 / 12
LA 101
M11 · L01
المنظور الهندسي

الانحدار هو إسقاط

حل OLS هو الإسقاط العمودي لـ y على col(X). ضبط تدرج ‖y−Xβ‖² على الصفر يعطي المعادلات الاعتيادية XᵀXβ = Xᵀy، بالحل الوحيد:

حل OLS
\hat{\boldsymbol{\beta}}=(X^T X)^{-1}X^T\mathbf{y}

البواقي r = y − ŷ عمودية على كل أعمدة X: Xᵀr = 0.

03 / 12
LA 101
M11 · L01
التنظيم: L2

انحدار ريدج

عندما تكون XᵀX سيئة التهيئة، التغيرات الصغيرة في y تسبب تأرجحاً كبيراً في β̂. ريدج يضيف λI لضمان إمكانية العكس وتقليص المعاملات نحو الصفر:

حل ريدج
\hat{\boldsymbol{\beta}}_{\text{ridge}}=(X^T X+\lambda I)^{-1}X^T\mathbf{y}

عبر SVD: كل مكوّن σₖ يُقلَّص بـ σₖ²/(σₖ²+λ). λ الأكبر يعني تقليصاً أكبر.

04 / 12
LA 101
M11 · L01
التنظيم: L1

لاسو والضآلة

استبدل عقوبة L2 بـ L1: ‖β‖₁ = Σ|βⱼ|. كرة L1 هي متعدد الوجوه — نقاطها المتطرفة تقع على المحاور الإحداثية. الحل الأمثل يقع في أغلب الأحيان عند ركن، يضع كثيراً من المعاملات إلى الصفر بالضبط. لاسو يُجري اختيار المتغيرات تلقائياً.

‖β‖₂²
كرة ريدج (ناعمة)
‖β‖₁
كرة لاسو (أركان)
05 / 12
LA 101
M11 · L01
ريدج مقابل لاسو

اختيار منظّم

  • ريدج: حل مغلق، جميع المعاملات تتقلص دون أن تصل للصفر، جيد حين تهمّ جميع الميزات
  • لاسو: لا حل مغلق، كثير من المعاملات تصل للصفر بالضبط، جيد لاختيار الميزات
  • Elastic Net: يجمع كلاهما — ضآلة مع استقرار
  • كلاهما محدب — الحد الأدنى العالمي مضمون
06 / 12
LA 101
M11 · L01
حيلة النواة

ضربات داخلية بدون تعيين

عيّن x → φ(x) إلى فضاء ميزات أغنى، لكن لا تحسب φ بشكل صريح. استخدم فقط النواة k(xᵢ,xⱼ) = φ(xᵢ)ᵀφ(xⱼ). أي خوارزمية تعتمد فقط على الضربات الداخلية يمكن نوّاتها — باستبدال XᵀX بمصفوفة النواة K.

نوى شائعة
RBF: k(x,z)=exp(−‖x−z‖²/2σ²) · متعددة الحدود: (xᵀz+c)^d · خطية: xᵀz
07 / 12
LA 101
M11 · L01
آلات المتجهات الداعمة

المستوى ذو الهامش الأقصى

تجد SVM المستوى الفاصل wᵀx + b = 0 بـ أكبر هامش 2/‖w‖. تعظيم الهامش = تصغير ‖w‖². هذا برنامج تربيعي:

SVM ذات الهامش الصلب
\min_{\mathbf{w},b}\;\tfrac{1}{2}\|\mathbf{w}\|^2\quad\text{s.t.}\quad y_i(\mathbf{w}^T\mathbf{x}_i+b)\geq 1
08 / 12
LA 101
M11 · L01
الثنائية في SVM

المتجهات الداعمة والثنائية

تعتمد الثنائية Lagrangian لـ SVM-QP فقط على الضربات الداخلية xᵢᵀxⱼ — مما يجعل النوّاتة فورية. w الأمثل = Σᵢ αᵢ yᵢ xᵢ هو تركيب ضئيل: فقط المتجهات الداعمة (نقاط التدريب عند حد الهامش حيث αᵢ > 0) تُسهم.

QP
الصياغة الأولية
αᵢxᵀx
الثنائية (قابلة للنوّاتة)
09 / 12
LA 101
النماذج الخطية

تحقّق مما رسخ

أربعة أسئلة عن الجبر الخطي خلف الانحدار والتنظيم وآلات المتجهات الداعمة.

السؤال 1 من 0
النتيجة 0/0

10 / 12
LA 101
نقاط رئيسية
ملخص

النقاط الرئيسية

  • الانحدار الخطي = إسقاط عمودي: β̂ = (XᵀX)⁻¹Xᵀy
  • ريدج (عقوبة L2): يستقر XᵀX السيئة التهيئة، يقلّص عبر σ²/(σ²+λ)
  • لاسو (عقوبة L1): هندسة متعدد الوجوه تُنتج ضآلة دقيقة — اختيار تلقائي للميزات
  • حيلة النواة: استبدل الضربات الداخلية بـ k(xᵢ,xⱼ) — نموذج غير خطي بدون تعيين صريح
  • SVM: QP ذات هامش أقصى، ثنائيتها تعتمد فقط على الضربات الداخلية — قابلة للنوّاتة طبيعياً
11 / 12
LA 101
القادم
القادم

الوحدة 11-الدرس 2: تحليل المصفوفة

رأينا كيف يُشغّل الجبر الخطي الانحدار والتصنيف. القادم: نستكشف كيف يتعلّم تحليل المصفوفة — NMF، التصفية التعاونية بـ SVD، والتحليل الدلالي الكامن — البنية المخفية في مصفوفات البيانات الكبيرة.

12 / 12