Logistic回归

Posted 2020-09-26

Logistic回归

主要思想：

1. 根据训练集找到一个适合的预测函数（线性函数），一般用h表示，该函数就是我们需要找的分类函数，用它来预测输入数据的分类。
2. 构造一个Cost（损失函数），该函数为每个输入数据的预测类别(h)与真实数据的类别(y)之间的偏差，可以以二者间的差值，即(h-y)或其他形式来计算偏差。由于需要综合考虑所有训练数据的损失，需要将数据的损失求和或求平均，表示所有训练数据预测出的类别与实际类别的偏差，将Cost求和或者求平均，记为J(θ)，表示所有训练数据预测值与实际值得偏差。 
3. 当我们需要最小化损失函数，就用梯度下降，当我们需要最大化预测函数的似然函数，就用梯度上升。

基于Logistic回归和Sigmoid函数的分类

我们想要的函数应该是，能接受所有输入然后预测出类别。例如，在两个类的情况下，上述函数输出0或1。这种函数称为单位阶跃函数，该函数在跳跃点从0瞬间跳到1，这个瞬间跳跃的过程有时很难处理。所以，我们需要引用一个也具有类似性质的函数，该函数被称作Sigmoid函数，Sigmoid函数计算公式如下：

图1-1给出了Sigmoid函数的图像，当x为0的时候，Sigmoid函数值为0.5。随着x的增大，对应的Sigmoid值将逼近于1，随着x的减小，Sigmoid值将逼近于0。

我们定义向量(x_1、x₂……x_n)是分类器的输入数据，向量θ是我们要寻找的最佳回归系数，则可以得出Sigmoid函数的输入z为：

为了方便将z作为矩阵计算，可以把x₀赋值为1，将x₀作为一个常亮偏移，则公式(2)则可以写成：

构造预测函数为：

h_θ(x)函数的值有特殊含义，它表示结果取1的概率，当h_θ(x)大于0.5属于分类1，当h_θ(x)小于0.5属于分类0。因此，对于输入x分类结果为类别1或类别0的概率分别为：

构造损失函数：

这里的Cost函数和J(θ)函数是基于最大似然估计推到得到，下面将给出推导过程。(4)式综合起来可以写成：

取似然函数为：

 

对数似然函数为：

 

最大似然估计就是要求得使l(θ)取最大值时的θ，这里可以用梯度上升法求解，求得θ的最佳参数，但根据(7)式和(10)式可以推出：

因为乘了一个-1/m，所以J(θ)取最小值时的θ为要求额最佳参数。

梯度上升法求J(θ)的最大值

求J(θ)的最大值可以使用梯度上升法，根据梯度上升法可得θ的更新过程：

其中，α为步长，为梯度算子，总是指向函数值下降最快的方向，公式将一直迭代执行，直到达到某个停止条件为止，比如迭代次数达到某个指定值或算法达到某个可以允许的误差范围。

在求偏导之前，我们先对f(x)=1/(1+e^g(x))函数求偏导，在之后的偏导需要用到：

现在，对求偏导：

 

因此，(12)式的更新过程可以写成：

因为式中的α本来就为常量，所以1/m一般将其省略。所以，最终θ的更新过程为：

代码实现

梯度上升法的伪代码：

　　每个回归系数初始化为1

　　重复R次：

　　　　计算整个数据集的梯度

　　　　使用步长*梯度更新回归系数的向量

　　　　返回回归系数

代码1-2是Logistic回归梯度上升优化算法的实现

def loadDataSet():
    dataMat = []
    labelMat = []
    fr = open("testSet.txt")
    for line in fr.readlines():
        lineArr = line.strip().split()
        dataMat.append([1.0, float(lineArr[0]), float(lineArr[1])])
        labelMat.append(int(lineArr[2]))
    return dataMat, labelMat


def sigmoid(inX):
    return 1.0 / (1 + exp(-inX))


def gradAscent(dataMatIn, classLabels):
    dataMatrix = mat(dataMatIn)
    labelMat = mat(classLabels).transpose()
    m, n = shape(dataMatrix)
    alpha = 0.001
    maxCycles = 500
    weights = ones((n, 1))
    for k in range(maxCycles):
        t = dataMatrix * weights
        h = sigmoid(dataMatrix * weights)
        error = labelMat - h
        weights += alpha * dataMatrix.transpose() * error
    return weights

　　

调用代码1-2

>>> dataArr, labelMat = loadDataSet()
>>> weights = gradAscent(dataArr, labelMat)
>>> weights
array([[ 4.12414349],
       [ 0.48007329],
       [-0.6168482 ]])

　　

代码1-3位画出数据集与Logistic回归最佳拟合直线的函数

def plotBestFit(weights):
    import matplotlib.pyplot as plt
    dataMat, labelMat = loadDataSet()
    dataArr = array(dataMat)
    n = shape(dataArr)[0]
    xcord1 = [];
    ycord1 = []
    xcord2 = [];
    ycord2 = []
    for i in range(n):
        if int(labelMat[i]) == 1:
            xcord1.append(dataArr[i, 1]);
            ycord1.append(dataArr[i, 2])
        else:
            xcord2.append(dataArr[i, 1]);
            ycord2.append(dataArr[i, 2])
    fig = plt.figure()
    ax = fig.add_subplot(111)
    ax.scatter(xcord1, ycord1, s=30, c=‘red‘, marker=‘s‘)
    ax.scatter(xcord2, ycord2, s=30, c=‘green‘)
    x = arange(-3.0, 3.0, 0.1)
    y = (-weights[0] - weights[1] * x) / weights[2]
    ax.plot(x, y)
    plt.xlabel(‘X1‘);
    plt.ylabel(‘X2‘);
    plt.show()　　

调用代码1-3生成图1-4

数据集链接：http://pan.baidu.com/s/1c2MUC5E

参考文献

[1]《机器学习实战》——【美】Peter Harington

[2] https://www.coursera.org/course/ml

[3] http://blog.csdn.net/abcjennifer/article/details/7716281

[4] http://www.cnblogs.com/tornadomeet/p/3395593.html

[5] http://blog.csdn.net/jackie_zhu/article/details/8895270

[6]http://blog.csdn.net/dongtingzhizi/article/details/15962797