SparkMllib如何解決回歸問題？[大數(shù)據(jù)培訓(xùn)]

一、問題引入

我們都參加過高考，據(jù)統(tǒng)計(jì)，高考的物理成績確實(shí)與數(shù)學(xué)成績有一定關(guān)系，但除此之外，還存在很多影響物理成績的因素，例如：是否喜歡物理，用在物理上的時(shí)間等。而當(dāng)我們主要考慮數(shù)學(xué)成績對物理的影響時(shí)，就是要考察這兩者之間的相關(guān)關(guān)系。

現(xiàn)實(shí)生活中還有很多的相關(guān)關(guān)系，如

1.商品銷售輸入與廣告支出經(jīng)費(fèi)之間的關(guān)系，銷售輸入與廣告支出有著密切的關(guān)系，但是還與商品質(zhì)量、居民收入等因素有關(guān)。

2.糧食產(chǎn)量與施肥量之間的關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，施肥量越大，糧食生產(chǎn)就越高。除此之外，糧食產(chǎn)量還受到土壤質(zhì)量、降雨量等的影響。

3.人體內(nèi)脂肪的含量與年齡之間的關(guān)系。在一定年齡段內(nèi)，隨著年齡的增長，人體內(nèi)的脂肪含量會增加，但人體內(nèi)的脂肪含量還和飲食習(xí)慣，體育鍛煉有關(guān)系，可能還與先天

體質(zhì)有關(guān)系。

對于上述兩個(gè)變量之間的關(guān)系，應(yīng)該說都可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出相應(yīng)的判斷，因?yàn)?ldquo;經(jīng)驗(yàn)當(dāng)中有規(guī)律”，但是，不管你經(jīng)驗(yàn)多么豐富，如果只憑借經(jīng)驗(yàn)辦事，還是很容易出錯(cuò)。因此在分析兩個(gè)變量之間的相關(guān)關(guān)系時(shí)，我們需要一些說服力的辦法。

在尋找變量之間的相關(guān)關(guān)系中，統(tǒng)計(jì)同樣發(fā)揮著非常重要的作用。因?yàn)樯厦嫣岬降倪@種關(guān)系，并不像勻速直線運(yùn)動中時(shí)間與速度的關(guān)系那樣是完全確定的，而是帶有不確定性，這就需要通過收集大量的數(shù)據(jù)(有時(shí)候通過調(diào)查、或?qū)嶒?yàn))，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，才能讓他們之間的關(guān)系做出判斷?！就扑]了解：大數(shù)據(jù)培訓(xùn)課程】

二、脂肪含量和年齡相關(guān)嗎?

兩個(gè)變量的線性相關(guān)：

如下表中描述了人體的脂肪百分比和年齡的關(guān)系圖表：

年齡脂肪含量

問題：根據(jù)上述數(shù)據(jù)，人體的脂肪含量與年齡之間有怎么樣的關(guān)系呢?

對問題的描述：

一般地，對于某個(gè)人來說，他的體內(nèi)脂肪不一定隨年齡增長而增加或減少，但是如果把很多個(gè)體放在一起，這時(shí)就可能表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，各年齡對應(yīng)的脂肪數(shù)據(jù)是這個(gè)年齡人群脂肪含量的樣本平均值。觀察上述表數(shù)據(jù)，從大體上看，隨著年齡的增加，人體中脂肪的百分比也在增加。為了確定這一細(xì)節(jié)，我們需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，與以前一樣，我們可以做統(tǒng)計(jì)圖、表，通過作統(tǒng)計(jì)圖、表，可以使我們對兩個(gè)變量之間的關(guān)系有一個(gè)直觀的印象和判斷。

下面我們做一個(gè)散點(diǎn)圖，如圖，假設(shè)人的年齡影響體內(nèi)脂肪含量，于是，按照習(xí)慣，以x軸表示年齡，y軸表示脂肪含量，得到下圖：

這些散分布的位置也是值得注意的，他們散布在從左上角到右下角的區(qū)域。對于兩個(gè)變量的這種相關(guān)關(guān)系，我們稱為正相關(guān)。還有一些變量，例如汽車的重量和汽車每消耗1L汽油所行駛的平均路程，是負(fù)相關(guān)，也就是汽車越重，每消耗1L汽油所行駛的平均路程就越短，這時(shí)的點(diǎn)如果繪制在畫布上 將會從左上角到右下角的區(qū)域內(nèi)。

接下來，需要進(jìn)一步考慮的問題是，當(dāng)人的年齡增加時(shí)，體內(nèi)脂肪含量到底是以什么方式增加的呢?

從散點(diǎn)圖可以看出，這些點(diǎn)大致分布在通過散點(diǎn)圖中心的一條直線附近，如果散點(diǎn)圖中的點(diǎn)分布從整體上看大致是在一條直線附近，我們就稱這兩個(gè)變量之間具有線性相關(guān)關(guān)系，這條直線叫做回歸直線(regression line)。

如果能求出這條回歸直線的方程，那么我們就可以清晰的了解年齡與體內(nèi)脂肪含量的相關(guān)性，就像平均值可以作為一個(gè)變量的數(shù)據(jù)的代表一樣，這條直線可以作為兩個(gè)變量具有線性相關(guān)性的代表。

當(dāng)你拿到這樣一個(gè)任務(wù)的時(shí)候，你可能會采用測量的做法，先畫出一條直線，測量各點(diǎn)與它的距離，然后移動直線，到達(dá)一個(gè)使得距離的和最小的位置，測量出此時(shí)的斜率和截距，既可以得到回歸方程了。

也可能會采用平均方法，也就是在散點(diǎn)圖中多取幾組點(diǎn)，確定出幾條直線的方程，在分別求出各條直線的斜率、截距的平均數(shù)，將這兩個(gè)平均數(shù)作為回歸方程的斜率和截距。

三、問題的求解

上面方法雖然有一定道理，但是總讓人感覺可靠性不強(qiáng)。實(shí)際上，求回歸方程的關(guān)鍵是如何用數(shù)學(xué)的方法來刻畫“從整體上，各點(diǎn)與此直線的距離最小”。

總結(jié)：這種通過求解Q關(guān)系式的最小值而得到回歸直線的方法，即求回歸直線，使得樣本數(shù)據(jù)的點(diǎn)到它的距離的平方和最小的方法，叫做最小二乘法(Least square)。

四、Execl繪制相關(guān)圖形

Execl畫回歸擬合直線如下方法：

(1)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，首先繪制散點(diǎn)圖

(2)在散點(diǎn)圖基礎(chǔ)上點(diǎn)”趨勢預(yù)測”即可看到擬合的直線。

(3)在圖示區(qū)域顯示擬合直線的方程

四、SparkMl代碼實(shí)戰(zhàn)

這里采用基于DataFrame的SparkMl完成實(shí)驗(yàn)，并與Execl的結(jié)果進(jìn)行對比分析：

代碼部分：

import org.apache.spark.ml.linalg.Vectors
import org.apache.spark.ml.regression.{LinearRegression, LinearRegressionModel}
import org.apache.spark.sql.SparkSession
object testFat {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
  val spark: SparkSession = SparkSession.builder().master("local[*]").appName("traintestSplitTest").getOrCreate()
    spark.sparkContext.setLogLevel("WARN")
    val data = spark.createDataFrame(Seq(
      (9.5, Vectors.dense(23)),
      (17.8, Vectors.dense(27)),
      (21.2, Vectors.dense(39)),
      (25.9, Vectors.dense(41)),
      (27.5, Vectors.dense(45)),
      (26.3, Vectors.dense(49)),
      (28.2, Vectors.dense(50)),
      (29.6, Vectors.dense(53)),
      (30.2, Vectors.dense(54)),
      (31.4, Vectors.dense(56)),
      (30.8, Vectors.dense(57)),
      (33.5, Vectors.dense(58)),
      (35.2, Vectors.dense(60)),
      (34.6, Vectors.dense(61))
    )).toDF("label", "features")
    //1-data split
    val Array(train, test): Array[Dataset[Row]] = data.randomSplit(Array(0.9, 0.1), seed = 120L)
    //2-training model
    val lr: LinearRegression = new LinearRegression()
    val lrModel: LinearRegressionModel = lr.fit(data)
    //3- Print the coefficients and intercept for linear regression
    println(s"Coefficients: ${lrModel.coefficients} Intercept: ${lrModel.intercept}")
    // 4-Summarize the model over the training set and print out some metrics
    val trainingSummary = lrModel.summary
    println(s"numIterations: ${trainingSummary.totalIterations}")
    println(s"objectiveHistory: [${trainingSummary.objectiveHistory.mkString(",")}]")
    trainingSummary.residuals.show()
    println(s"RMSE: ${trainingSummary.rootMeanSquaredError}")
    println(s"r2: ${trainingSummary.r2}")
    //    Coefficients: [0.5764772505370067] Intercept: -0.44779925795753567
    //    numIterations: 1
    //    objectiveHistory: [0.0]
    //    +---------------------------------------------+
    //    |           residuals|
    //    +--------------------------------------------+
    //    |  -3.311177504393619|
    //    |   2.682913493458356|
    //    .............................
    //    RMSE: 1.629890205389517
    //    r2: 0.9423379190667397
  }
}

這里得到的R2是回歸問題的考量標(biāo)準(zhǔn)，越接近于1效果越好，這里r2為0.94效果能夠達(dá)到預(yù)期，因此能夠證明隨著年齡的增長脂肪含量會隨著增長，在回歸問題中此類問題常稱之為一元線性回歸或簡單線性回歸，當(dāng)然可以考慮更多的變量因素存在對脂肪含量的影響，這里不再一一列舉。

六、總結(jié)

通過對脂肪含量和年齡的關(guān)系問題猜想、定義、Execl繪圖分析、SparkMl建模分析得到我們猜測和數(shù)學(xué)上可證明的結(jié)論，同學(xué)們可以借助SparkMl技術(shù)解決更多的回歸問題。加油!