可以为逻辑回归定义自己的成本函数吗？

Posted 2023-03-12

【中文标题】可以为逻辑回归定义自己的成本函数吗？

【英文标题】：Is it ok to define your own cost function for logistic regression?

【发布时间】：2012-08-22 21:06:41

【问题描述】：

在最小二乘模型中，成本函数定义为作为输入函数的预测值与实际值之差的平方。

在进行逻辑回归时，我们将成本函数更改为对数函数，而不是将其定义为 sigmoid 函数（输出值）与实际输出之差的平方。

是否可以改变和定义我们自己的成本函数来确定参数？

【问题讨论】：

不是那么简单，逻辑回归有许多可能的链接函数，而不仅仅是规范的 logit 函数。我建议阅读广义线性模型背后的一些理论en.wikipedia.org/wiki/Generalised_linear_model

如果您在输入 $x$ 是标量的非常特殊的情况下继续构建二次损失函数，那么您的成本函数变为：$C(w,b):= \Sigma_ x | y(x) - \haty(x)|^2=\Sigma_x | y(x) - \sigma(wx+b)|^2$。现在如果你尝试对其应用梯度下降，你会看到：$C'(x)$ 是 $\sigma'(wx+b)$ 的倍数。现在，sigmoid 函数是渐近的，当输出 $\sigma(z)$ 接近 $0$ 或 $1$ 时，它的导数 $\sigma'(z)$ 几乎为零。这意味着：当学习不好时，例如$\sigma(wx+b)\约0$，但$y(x)=1$，则$C'(w), C'(b)\约0$。 （续）

【参考方案1】：

使用逻辑函数、铰链损失、平滑铰链损失等，因为它们是零一二分类损失的上限。

这些函数通常也会对分类正确但仍靠近决策边界的示例进行惩罚，从而创建“边缘”。

所以，如果你在做二元分类，那么你当然应该选择标准的损失函数。

如果您尝试解决不同的问题，那么不同的损失函数可能会表现得更好。

【参考方案2】：

是的，您可以定义自己的损失函数，但如果您是新手，最好使用文献中的一个。损失函数应该满足一些条件：

它们应该近似于您试图最小化的实际损失。正如在另一个答案中所说，分类的标准损失函数是零一损失（错误分类率），用于训练分类器的损失函数是该损失的近似值。

没有使用线性回归的平方误差损失，因为它不能很好地近似零一损失：当您的模型预测某个样本的 +50 而预期的答案是 +1（正类）时，预测在决策边界的正确一侧，因此零一损失为零，但平方误差损失仍然是 49² = 2401。一些训练算法会浪费大量时间来获得非常接近 -1, +1 而不是只关注正确的标志/类别标签。(*)

损失函数应该适用于您预期的优化算法。这就是为什么不直接使用零一损失的原因：它不适用于基于梯度的优化方法，因为它没有明确定义的梯度（甚至是 subgradient，就像 SVM 的铰链损失一样） .

直接优化零一损失的主要算法是老的perceptron algorithm。

此外，当您插入自定义损失函数时，您不再构建逻辑回归模型，而是构建其他类型的线性分类器。

(*) 平方误差 与线性判别分析一起使用，但这通常以封闭形式而不是迭代来解决。

【讨论】：

关于第 1 点，在逻辑回归中，模型永远无法预测 +50，因为输出由逻辑函数缩放，将输入限制为 (0,1)。

【参考方案3】：

是的，可以使用其他成本函数来确定参数。

平方误差函数（线性回归常用的函数）不太适合逻辑回归。

在逻辑回归的情况下，假设是非线性的（sigmoid 函数），这使得平方误差函数是非凸的。

对数函数是一个没有局部最优值的凸函数，所以梯度下降效果很好。

【参考方案4】：

你不选择损失函数，你选择模型

当您使用最大似然估计 (MLE) 拟合参数时，损失函数通常由模型直接确定，这是机器学习中最流行的方法。

您提到了均方误差作为线性回归的损失函数。然后“我们将成本函数更改为对数函数”，指的是交叉熵损失。我们没有改变成本函数。实际上，当我们假设y服从正态分布的高斯分布时，均方误差是线性回归的交叉熵损失，其均值由Wx + b定义。

说明

使用 MLE，您可以选择参数，以使训练数据的可能性最大化。整个训练数据集的可能性是每个训练样本的可能性的乘积。因为这可能下溢为零，所以我们通常最大化训练数据的对数似然/最小化负对数似然。因此，成本函数变为每个训练样本的负对数似然之和，由下式给出：

-log(p(y | x; w))

其中 w 是我们模型的参数（包括偏差）。现在，对于逻辑回归，这就是您提到的对数。但是声称这也对应于线性回归的 MSE 呢？

示例

为了显示 MSE 对应于交叉熵，我们假设 y 正态分布在平均值附近，我们使用 w^T x + b 进行预测。我们还假设它有一个固定的方差，所以我们不用线性回归预测方差，只预测高斯的平均值。

p(y | x; w) = N(y; w^T x + b, 1)

你可以看到mean = w^T x + b和variance = 1

现在，损失函数对应于

-log N(y; w^T x + b, 1)

如果我们看一下高斯N 是如何定义的，我们会看到：

现在，取它的负对数。这导致：

我们选择了 1 的固定方差。这使第一项保持不变，并将第二项减少为：

0.5 (y - mean)^2

现在，请记住我们将平均值定义为 w^T x + b。由于第一项是常数，最小化高斯的负对数对应于最小化

(y - w^T x + b)^2

这对应于最小化均方误差。

【参考方案5】：

假设在您的逻辑回归模型中，您有标量输入 x，并且模型为每个输入样本 x 输出概率 $\haty(x)=sigma(wx+b)$。如果您继续在输入 $x$ 是标量的非常特殊的情况下构建二次损失函数，那么您的成本函数变为： $C(w,b):= \Sigma_x | y(x) - \haty(x)|^2=\Sigma_x | y(x) - \sigma(wx+b)|^2$。现在如果你尝试对其应用梯度下降，你会看到：$C'(w), C'(b)$ 是 $\sigma'(wx+b)$ 的倍数。现在，sigmoid 函数是渐近的，当输出 $\sigma(z)$ 接近 $0$ 或 $1$ 时，它的导数 $\sigma'(z)$ 几乎为零。这意味着：当学习不好时，例如$\sigma(wx+b)\约0$，但$y(x)=1$，则$C'(w), C'(b)\约0$。

现在，从两个角度来看，上述情况很糟糕：(1) 它使梯度下降在数值上变得更加昂贵，因为即使我们离最小化 C(w,b) 还很远，我们的收敛速度也不够快，并且(2) 与人类学习有悖常理：当我们犯了大错时，我们学得很快。

但是，如果您计算交叉熵成本函数的 C'(w) 和 C'(b)，则不会出现此问题，因为与二次成本的导数不同，交叉熵成本的导数不是$sigma'(wx+b)$ 的倍数，因此当逻辑回归模型输出接近 0 或 1 时，梯度下降不一定会减慢，因此收敛到最小值的速度会更快。您可以在这里找到相关讨论：http://neuralnetworksanddeeplearning.com/chap3.html，我强烈推荐的优秀在线书籍！

此外，交叉熵成本函数只是用于估计模型参数的最大似然函数 (MLE) 的负对数，实际上在线性回归的情况下，最小化二次成本函数相当于最大化 MLE，或者等效地，最小化 MLE=cross entropy 的负对数，并使用线性回归的基本模型假设 - 有关更多详细信息，请参见 http://cs229.stanford.edu/notes/cs229-notes1.pdf 的第 12 页。因此，对于任何机器学习模型，无论是分类还是回归，通过最大化 MLE（或最小化交叉熵）来找到参数具有统计意义，而最小化逻辑回归的二次成本没有任何意义（尽管它对于线性回归，如前所述）。

我希望它能澄清一些事情！

【参考方案6】：

我想说，均方误差的数学基础是误差的高斯分布，而对于逻辑回归，它是两个分布的距离：基础（基本事实）分布和预测分布。

我们如何测量两个分布之间的距离？在信息论中，它是相对熵（也称为KL散度），相对熵is equivalent to交叉熵。而逻辑回归函数是softmax regression的一个特例，相当于交叉熵和maximum entropy。