L0 L1 L2範數的聯絡與區別

2022-07-22 07:24:12 字數 1691 閱讀 6877

這裡簡單地介紹以下幾種向量範數的定義和含義 

與閔可夫斯基距離的定義一樣,l-p範數不是乙個範數,而是一組範數,其定義如下: 

根據p 的變化,範數也有著不同的變化,乙個經典的有關p範數的變化圖如下: 

上圖表示了p從無窮到0變化時,三維空間中到原點的距離(範數)為1的點構成的圖形的變化情況。以常見的l-2範數(p=2)為例,此時的範數也即歐氏距離,空間中到原點的歐氏距離為1的點構成了乙個球面。

實際上,在0時,lp並不滿足三角不等式的性質,也就不是嚴格意義下的範數。以p=0.5,二維座標(1,4)、(4,1)、(1,9)為例,

。因此這裡的l-p範數只是乙個概念上的寬泛說法。

當p=0時,也就是l0範數,由上面可知,l0範數並不是乙個真正的範數,它主要被用來度量向量中非零元素的個數。用上面的l-p定義可以得到的l-0的定義為: 

表示向量x中非零元素的個數。

對於l0範數,其優化問題為: 

在實際應用中,由於l0範數本身不容易有乙個好的數學表示形式,給出上面問題的形式化表示是乙個很難的問題,故被人認為是乙個np難問題。所以在實際情況中,l0的最優問題會被放寬到l1或l2下的最優化。

l1範數是我們經常見到的一種範數,它的定義如下: 

表示向量中

非零元素的絕對值之和。

l1範數有很多的名字,例如我們熟悉的曼哈頓距離、最小絕對誤差等。使用l1範數可以度量兩個向量間的差異,如絕對誤差和(sum of absolute difference): 

對於l1範數,它的優化問題如下: 

由於l1範數的天然性質,對l1優化的解是乙個稀疏解,因此l1範數也被叫做稀疏規則運算元。通過l1可以實現特徵的稀疏,去掉一些沒有資訊的特徵,例如在對使用者的電影愛好做分類的時候,使用者有100個特徵,可能只有十幾個特徵是對分類有用的,大部分特徵如身高體重等可能都是無用的,利用l1範數就可以過濾掉。

l2範數是我們最常見最常用的範數了,我們用的最多的度量距離歐氏距離就是一種l2範數,它的定義如下: 

表示向量元素的平方和再開平方。 

像l1範數一樣,l2也可以度量兩個向量間的差異,如平方差和(sum of squared difference): 

對於l2範數,它的優化問題如下: 

l2範數通常會被用來做優化目標函式的正則化項,防止模型為了迎合訓練集而過於複雜造成過擬合的情況,從而提高模型的泛化能力。

當時,也就是範數,它主要被用來度量向量元素的最大值,與l0一樣,通常情況下表示為

來表示

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