不是回归的逻辑回归算法

2019-08-08 本文已影响20人巴拉巴拉_9515

一、线性回归与逻辑回归的关系

线性回归可以预测连续值，但是不能解决分类问题，我们需要根据预测的结果判定其属于正类还是负类。所以逻辑回归就是将线性回归的 $(−∞,+∞)$ 结果，通过sigmoid函数映射到 $(0,1)$ 之间^[1]。

二、线性回归到逻辑回归

（1）sigmoid函数

什么是sigmoid函数？如何将线性回归的 $(−∞,+∞)$ 结果映射到 $(0,1)$ 之间？
由下图sigmoid曲线图可知，值域在 $(0,1)$ ，其中z为线性回归预测值 $z=w_0x_0+w_1x_1+w_2x_2+...+w_mx_m$

（2）逻辑回归

逻辑回归整体流程：

输入 $[x_0,x_1,x_2,...,x_m]$ ，
权重w组合乘积求和,为 $z=w_0x_0+w_1x_1+w_2x_2+...+w_mx_m$ ;
z代入sigmoid函数结果映射到 $(0,1)$ 范围;
通过梯度下降法获得最优参数 $[w'_0,w'_1,w'_2,...,w'_m]$ ；
对 $(0,1)$ 值域的预测值做分类处理，例如大于0.5，判断分类为1，小于0.5判断分类为0。

三、最优参数组合

如何获得最优的参数组合 $[w'_0,w'_1,w'_2,...,w'_m]$ ，是的模型的分类效果最好？

（1）线性回归损失函数

还记得在线性回归中我们定义损失函数J为预测值和实际值的均方误差。
$J(\theta_0,\theta_1,...,\theta_m) = \frac{1}{2n}\sum_{i=1}^n(h_{\theta}(x^{(i)})-y^{(i)})^2$

目标是达到最低点，也就是使得损失函数最小，此时的参数 $\theta$ 就是最优参数，能够使算法预测误差最小，算法的准确性最高。

（2）逻辑回归损失函数

线性回归的损失函数为平方损失函数，如果将其用于逻辑回归的损失函数，则其数学特性不好，有很多局部极小值，难以用梯度下降法求最优。

因此尝试使用极大似然估计的方法推导最优参数^[3]
$L(\theta)=\prod_{i=1}^{n}(h_{\theta}(x^{(i)})^{y^{(i)}} (1-h_{\theta}(x^{(i)}))^{1-y^{(i)}})$
一个连乘的函数显然是不好计算的,我们可以通过两边同事取log的形式让其变成连加
$logL(\theta)=\sum_{i=1}^{n}(y^{(i)}logh_{\theta}(x^{(i)})+(1-y^{(i)})(1-logh_{\theta}(x^{(i)})))$
这个函数越大,证明我们得到的W就越好。因为在函数最优化的时候习惯让一个函数越小越好,所以我们在前边加一个负号。
得到逻辑回归的损失函数J
$J(\theta)=\sum_{i=1}^{n}(-y^{(i)}logh_{\theta}(x^{(i)})-(1-y^{(i)})(1-logh_{\theta}(x^{(i)})))$
逻辑回归是分类算法， y=0或者1
其中 $Cost(h_{\theta}(x),y) = \left\{ \begin{aligned} -log(h_{\theta}(x)) && y=1 \\ -log(1-h_{\theta}(x)) && y=0 \\ \end{aligned} \right.$
cost函数曲线分布如下图所示，可见此时的损失函数 $J(\theta)$ 是理想的效果。

（3）最优参数获得

现以确定逻辑回归的损失函数，使用梯度下降法求解最优参数。

首先确定下降最快的方向（偏导）^[3]（m为数据集规模/y的个数）
设置每次下山的跨度（学习率）
学习率 $\alpha$
更新参数
为了和全文对应，避免引起误解，我们用n表示数据规模/y的数量，用m表示自变量的个数/权重的个数。
$\theta'_j = \theta_j-\alpha\frac{d}{d\theta_j}J(\theta) = \theta_j- \frac{\alpha}{n}\sum_{i=1}^n(h_{\theta}(x_i)-y_i)x_i^j$

四、逻辑回归算法整体流程

模型训练^[4]

=====》输入
【数据源】 $[X_1,X_2,...X_n]$ ，每个 $X_i$ 包含m个自变量 $[x_{i1},x_{i2},...,x_{im}]$ ，对应的分类结果 $[y_1,y_2,...,y_n]$ ；
【参数设置1】设置一组W的权重初始值 $[w_0，w_1，w_2，...，w_m]$
【参数设置2】学习率 $\alpha$
【精确度设置】accuracy = 0.00001
【划分阈值】0.5
=====》操作
【操作1】基于X预测yPre
$z_i=w_{i0}x_{i0}+w_{i1}x_{i1}+w_{i2}x_{i2}+...+w_{im}x_{im}$ ， $z_i$ 代入sigmoid函数结果映射到 $(0,1)$ 范围，整个数据集计算后得到yPre矩阵 $[y'_1,y'_2,...,y'_n]$
【操作2】基于yPre矩阵和实际值y计算损失值
$J(\theta)=\sum_{i=1}^{n}(-y_ilogy'_i-(1-y_i)(1-logy'_i))$
计算的结果是一个数值oldJ。
【操作3】更新权重 $w_0，w_1，w_2，...，w_m$
$w'_1 = w_1- \frac{\alpha}{n}\sum_{i=1}^n(y'_i-y_i)x_{i1}$
...
$w'_m = w_m- \frac{\alpha}{n}\sum_{i=1}^n(y'_i-y_i)x_{im}$
【操作4】计算新的损失值
基于更新后的权重 $w_0，w_1，w_2，...，w_m$ 进行【操作1】【操作2】，获得新的损失值newJ
【操作5】如果新旧损失值没有很大的差别则退出循环，否则继续【操作1-5】直到newJ == oldJ或|newJ - oldJ|<accuracy才退出循环。
=====》输出
此时的权重 $w_0，w_1，w_2，...，w_m$ 为最优参数，此时的逻辑回归算法为 $g(z) = \frac{1}{1+e^{-z}}$ 。（其中 $z = w_0x_0+w_1x_1+...+w_mx_m$ ）
如果 $g(z) >=0.5$ 则判断分类为1，否则判断分类为0
=====》分类预测
当输入新的 $X=[x_1,...,x_m]$ ，代入训练好的逻辑回归模型，可获得预测的分类结果。