符号回归概念

一、符号回归概念

符号回归是一种有监督的机器学习方法，用于发现某种隐藏的数学表达式或函数，以最佳地拟合给定数据集。与传统的回归方法不同，符号回归不仅仅是找到一个数学模型的参数，而是通过搜索和组合基本数学运算符和函数，自动构建出一个数学表达式。同时，符号回归也是为数不多的可解释机器学习方法。

符号回归的优点在于不依赖先验知识来为非线性系统建立符号模型，而是使用遗传算法、进化策略、粒子群优化等优化算法来进行搜索和优化。这些算法通常迭代地更新种群，逐步改进个体的适应度，最终找到一个最优的数学表达式。

想比于线性回归只能表示线性关系，符号回归能够输出更加复杂的非线性关系（+、-、*、/、sin、cos、exp等）。然而，由于搜索空间的巨大性和计算复杂性，符号回归算法可能需要较长的时间来找到最优解，而且结果可能受到初始种群和算法参数的影响。因此，在使用符号回归时需要仔细选择算法和参数，并进行适当的调优和验证。符号回归的一般步骤如下：

• 定义问题：确定要解决的问题和目标，以及输入和输出的数据
• 生成初始种群：创建一个初始的随机种群，其中每个个体都是一个数学表达式
• 评估适应度：使用某种适应度函数来评估每个个体的拟合程度，将其与目标函数进行比较
• 选择操作：根据适应度函数的结果，选择一些个体作为下一代的父代
• 变异和交叉操作：对选定的父代进行变异和交叉操作，生成新的个体
• 更新种群：将新生成的个体加入到种群中，替换掉一些较差的个体
• 终止条件：根据预设的终止条件（如达到最大迭代次数或达到某个适应度阙值），判断是否终止算法
• 输出结果：选择适应度最好的个体作为最终的数学表达式，用于预测或建模

二、GPlearn

gplearn是一个基于遗传编程的Python库，是最成熟的符号回归算法实现。用于自动发现和构建数学模型，它提供了一种使用遗传算法来优化数学表达式的方法，可以自动从数据中学习和构建复杂的数学模型，包括回归模型和分类模型。gplearn的主要特点和功能如下：

遗传编程：它通过随机生成和演化一组数学表达式，然后根据预定义的适应度函数来对这些表达式进行评估和选择，最终找到最优的数学模型

自动特征衍生：基于gplearn的Symbolic Transformer类可用于特征衍生

多种适应度函数：gplearn支持多种适应度函数，包括均方误差、对数损失等。用户可以根据具体问题选择合适的黄思颖度函数来评估和选择数学表达式。

可解释性：gplearn生成的数学模型通常具有很好的可解释性

灵活性：gplearn提供了丰富的配置选项和参数，可以根据具体的需求进行定制和调整

高性能：gplean支持并行计算和多核处理，可以加速遗传编程的过程