机器学习：Logstic回归

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发布于 2022-09-19 10:40:24

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发布于 2022-09-19 10:40:24

一、分类

如果某个问题的解可以分为几个离散的值，则称这种问题为分类问题。如果只有0或1两种解，则称为一个二元分类问题，其中0称为负类，1称为正类，由于二元分类问题比较简单，下面都以二元分类问题为例，最后会介绍多元分类问题。分类问题如果采取线性回归的方式去拟合，会得到很差的结果。如下图，假设我们按照

h_{\theta}(x)

的值来分类，小于0.5的为负类，否则为正类。此时，如果训练样本中有一个很远的正类（最右边的×），那么可能的拟合结果为蓝色的线，这样会有很多样本被错误分类。且线性回归的假设函数

h_{\theta}(x)

取值可能大于1或者小于0，与分类的离散型取值不符合。

二、假设函数

在线性回归中，我们的假设函数为

h_{\theta}(x) = \theta^Tx

，为了使得假设函数的取值介于

[0,1]

之间，我们设假设函数为

h_{\theta}(x) = \theta^Tx

，其中

g(z) = \frac{1}{1+e^{-z}}

，

g(z)

称为Logistic函数，也称为Sigmoid函数，其函数图像如下，无穷大时分别趋近于1和0。于是，

h_{\theta}(x) = \frac{1}{1+e^{-\theta^Tx}}

，称这种假设函数对应的回归为Logistic回归。

现在来解释一下，Logistic回归中，假设函数的含义：

h_{\theta}(x) = P(y=1|x;\theta)

，即在模型参数

\theta

下，

成立的条件下，

取值为x 的概率。

三、决策边界

已经有了假设函数了，现在考虑什么时候将某个样本预测为正类，什么时候预测为负类。由于

h_{\theta}(x)

表示在模型参数

\theta

下，

成立的条件下，

取值为x 的概率，所以，显而易见地，当

h_{\theta}(x)\ge0.5

时，我们预测为正类，否则为负类，当然

h_{\theta}(x) = 0.5

时归为正类和负类都可以，这里归为正类，观察logistic函数图像，我们可以得知，当

z = \theta^Tx\ge0

时

g(z) \ge 0.5

。

如下图所示的训练集，假设我们用

\theta^T = [-3,1,1]

进行拟合，我们可以发现如果预测

y = 1

，则

-3 + x_1 + x_2 \ge0

，画出这条线（图中红色的直线），则这条线上方的都被预测为正类，下方的都被预测为负类，这条线就被称为决策边界，决策边界属于假设函数的一个属性，只由模型参数决定，与数据集无关。

类似于线性回归中，可以在特征中添加额外的高次多项式项达到拟合非线性数据的目的，在Logistic回归中，也有这样的操作：

四、代价函数

如果使用线性回归中的代价函数，由于假设函数的改变，会使得代价函数变成一个非凸函数（如下图左，有很多局部最优解），这样就不能用梯度下降法了，所以我们需要设法将函数转变为一个凸函数。

定义：

Cost(h_{\theta}(x),y) = \left\{ \begin{aligned} -log(h_{\theta}(x))\ \ if \ \ y = 1\\ -log(1-h_{\theta}(x)) \ \ if \ \ y = 0 \end{aligned} \right.

，其函数图形（y=1时）如下：

通过图像我们可以发现一下两个性质：

如果预测值为1的概率为100%，且实际值为1时，代价为0
如果预测值为1的概率小于100%，且实际值为1时，预测的概率越小，代价越大，如果概率为0则代价变成无穷大。

y = 0的图像类似，镜像翻转就是，不做分析。

五、简化代价函数和梯度下降

对于上面的代价函数，我们可以将其合并成一个式子：

Cost(h_{\theta}(x,y)) = -ylog(h_{\theta}(x)) - (1-y)log(1-h_{\theta}(x))

，于是

J_{\theta} = -\frac{1}{m}[\displaystyle\sum_{i=1}^m y^{(i)}log(h_{\theta}(x^{(i)})) + (1-y^{(i)})log(1-h_{\theta}(x^{(i)}))]

，我们的目的就是找到一组解最小化

J_{\theta}

。

根据梯度下降法的思想，对于

\theta_j

，我们每一次将其更新为

\theta_j := \theta_j - \alpha \frac{\partial}{\partial\theta_j}J(\theta)

，代入

J_{\theta}

，对于每个

\theta_j

求偏导数，得到：

\theta_j :=\theta_j - \alpha\frac{1}{m}\displaystyle\sum_{i=1}^m(h_{\theta}(x^{(i)}) - y^{(i)})x_j^{(i)}

，这个式子和线性回归中的梯度下降是一样的，区别在于，这里的

h_{\theta}(x) = \frac{1}{1+e^{-\theta^Tx}}

，同样这里的更新也是需要同时更新的，可以用向量化一步搞定。

六、高级优化

可以使用Matlab库中自带的优化版梯度下降进行计算，函数入下

七、多元分类问题

介绍完二元分类问题，现在来看多元分类问题。

假设我们的训练集中有三种物品，我们可以训练三个分类器如右图，分别将其中的一类当正类，其他都当负类，然后进行一次二元分类。计算完三个分类器后，在预测时，向三个分类器中输入一个数据，将会分别返回三个概率，选择概率最大的那个当做预测类别。

八、正则化

8.1 过拟合问题

还是以房价预测为例，如果用线性函数拟合，会出现如上图左的情况，发生欠拟合、高偏差；如果使用更高阶的函数，图像可以非常好的拟合数据（上图右），但是很明显这并不符合生活常识，称之为过拟合、高方差。即，当出现太多的属性时，训练出的假设可能非常好的训练集，但是不能很好的预测新样本数据，即不能很好的泛化新数据。

对于Logistic 回归，也会出现过拟合的现象：

解决方法：

减少属性的数量。
- 手动选择需要保留的属性
- 模型选择算法
正则化。

8.2 正则化的代价函数

如上图，如果采用高阶函数拟合数据会发生过拟合的问题，正则化的思路时将不重要的属性加入一定的惩罚，如下面的式子所示，如果属性3和属性4不重要，则在代价函数后面加上

+1000\theta_3^2 + 1000\theta_4^2

这两项，那么在训练的时候，为了使得代价函数变小，那么

\theta_3

和

\theta_4

的值就会变得很小，这样最终的函数就会变得平滑，趋近于一个二次函数。

如果不知道如何选取属性，可以将所有属性都加上惩罚，则代价函数入下：

J(\theta)=\frac{1}{2m}[\displaystyle\sum_{i=1}^m(h_{\theta}(x^{(i)}) - y^{(i)})^2+\lambda\displaystyle\sum_{i=1}^m\theta_j^2]

,其中

\lambda

称为正则化参数。当然，如果

\lambda

过大，会使得函数图形最后变成一条直线，出现欠拟合的问题。注意一般情况下，

\theta_0

是不加惩罚的，因为这是偏置参数。

8.3 线性回归的正则化

8.3.1 梯度下降法

就是将代价函数：

J(\theta)=\frac{1}{2m}[\displaystyle\sum_{i=1}^m(h_{\theta}(x^{(i)}) - y^{(i)})^2+\lambda\displaystyle\sum_{i=1}^m\theta_j^2]

分别求偏导，得到每次模型参数的更新值。

8.3.2 正规方程法

同时，当

\lambda > 0

时，保证矩阵可逆，一定程度上也解决了矩阵不可逆的情况。

8.4 Logistic回归的正则化

8.4.1 梯度下降

对

J\left( \theta \right)=\frac{1}{m}\sum\limits_{i=1}^{m}{[-{{y}^{(i)}}\log \left( {{h}_{\theta }}\left( {{x}^{(i)}} \right) \right)-\left( 1-{{y}^{(i)}} \right)\log \left( 1-{{h}_{\theta }}\left( {{x}^{(i)}} \right) \right)]}+\frac{\lambda }{2m}\sum\limits_{j=1}^{n}{\theta _{j}^{2}}

求导。