logistics判别与线性模型中的4个问题

作者：陈浩然，北京大学智能科学专业，个人网址：chrer.com

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北大才女陈浩然机器学习笔记系列文章：

引言

之前说过，机器学习的两大任务是回归和分类，上章的线性回归模型适合进行回归分析，例如预测房价，但是当输出的结果为离散值时，线性回归模型就不适用了。我们的任务是：将回归分析中的实数值转化为离散值或者对于离散值的概率。

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logistic判别

转换函数

例如我们进行癌症判定，回归模型可以输出癌症几率a，并且a∈(,1)，而我们的任务是将几率转化为0、1两个结果（例如0表示无癌，1表示患癌）。

如果我们使用前一章的线性回归模型，可以认为>0.5的结果看成1，

这个公式看上去十分直观，但是有一些明显的缺点：

并非所有的连续值都可以均匀映射在[0,1]之间，例如人的身高在区间[120,250]之间，但是大部分人身高都取在该区间的中值，两端较少。

一些极端值可能会大大影响分类的效果，例如出现了一个身高0.7m的侏儒病患者，则映射区间变成了[70,250]->[0,1]，原来的中值180可能在这种情况下只能映射为0.3，使得分类效果变差。如下图所示：

为了解决以上这些问题，我们提出了一个特殊的转换函数，对数几率函数，又称sigmoid函数

其图像如下：

可以很明显的看出，该函数将实数域映射成了[0,1]的区间，带入我们的线性回归方程，可得：

于是，无论线性回归取何值，我们都可以将其转化为[0,1]之间的值，经过变换可知：

故在该函数中，

代表了 x 为正例的可行性大小，由于含有对数，所以称为对数几率，其中y为正例几率，1-y为反例几率。

所以在算法中，最终得到的结果y便代表是正例的几率，它在[0,1]之间，一般而言，如果y大于0.5，我们将其视为正例，如果y小于0.5，我们将其视为反例。

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更新策略

我们将转换函数

称为

这是原本的线性回归

和sigmoid函数

结合得到的。

由于这个函数并不是凸函数，直接带入我们之前的梯度下降策略是无效的，得不到优化的结果，所以要更换梯度下降策略。

定义新的代价函数：

观察该式可知，无论y取0还是1，当与y差距越大，代价函数值越大，且趋于正无穷，代价函数取值范围为

将上面的代价函数写成另一种形式，便于进行求导：

将所有的数据项代价累计起来，得到最终的代价函数形式：

对于该函数使用梯度下降，分别对每一个 w的每一项进行求导和更新即可。

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正则化

当我们利用线性回归拟合数据时，为了拟合较为复杂的数据，可能会引入较多的参数，例如：

我们可能会得到下面两种图像：

理想情况下，我们的算法应该得到左边的图像，而右边的图像显然有过拟合的倾向。

在统计学中，过拟合（英语：overfitting，或称过度拟合）现象是指在拟合一个统计模型时，使用过多参数。对比于可获取的数据总量来说，一个荒谬的模型只要足够复杂，是可以完美地适应数据。过拟合一般可以视为违反奥卡姆剃刀原则。当可选择的参数的自由度超过数据所包含信息内容时，这会导致最后（拟合后）模型使用任意的参数，这会减少或破坏模型一般化的能力更甚于适应数据。过拟合的可能性不只取决于参数个数和数据，也跟模型架构与数据的一致性有关。此外对比于数据中预期的噪声或错误数量，跟模型错误的数量也有关。

如果算法效果较好，即使我们在初始部分选择了很多个参数，如上文的

理想的算法也应该尽量使接近0，使得实际的得到的拟合曲线应该如左图所示，为解决该问题，我们引入了正则化项。

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正则化线性回归

为了解决过拟合的问题，我们应该引入一个参数项，使得在进行梯度下降的时候尽可能使得参数变小，这样可以使得很多额外的变量的系数接近于0。

更新线性回归的代价函数：

接着进行梯度下降即可。

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多分类问题

logistics判别解决的是二分类问题，那么应该如何解决多分类问题呢？一般采用拆解法，来将多分类问题分解成多个二分类问题。

一般而言有三种经典的拆分方法：

一对一：假如某个分类中有N个类别，我们将这N个类别进行两两配对（两两配对后转化为二分类问题）。那么我们可以得到个二分类器。之后在测试阶段，我们把新样本交给这个二分类器。于是我们可以得到个分类结果。把预测的最多的类别作为预测的结果。

一对其余：一对其余其实更加好理解，每次将一个类别作为正类，其余类别作为负类。此时共有（N个分类器）。在测试的时候若仅有一个分类器预测为正类，则对应的类别标记为最终的分类结果。若有多个分类器预测为正类，则选择概率最大的那个。

多对多：所谓多对多其实就是把多个类别作为正类，多个类别作为负类。该种方法比较复杂，这里推荐一个常用的方法：ECOC纠错码方法，这种方法简而言之，就是N个类别做多次划分形成M个分类器，用这M个分类器分别对N个类别进行识别，正例为1，负例为0，形成了M位的01编码，对于任何测试数据，形成其01编码，分别和N个类别的01编码进行比较，计算编码的距离，选取最近的类别作为测试数据的类别。

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类别不均衡问题

想象我们在做一个预测罕见病A的机器学习模型，但是该病十分罕见，我们一万个数据中只有8个病例，那么模型只需要将所有的数据都预测为无病，即可达到99.92%的超高预测成功率，但是显然这个模型不符合要求。

那么对于这种数据集中类别不平衡的问题，该如何解决呢？目前主要有三种方法：

欠采样：去除一些数目过多的类别的数据，使得不同类别的数据数目接近。

优点：不需要重新收集数据，训练速度快

缺点：使用的数据集远小于原数据集，可能丢失重要信息

过采样：增加数目小的类别的数据，使得不同类别的数据数目接近。

优点：不丢失信息，数据集较大

缺点：若对数目少的数据进行重复采样会造成过拟合的问题，训练时间

阈值移动：我们在之前logistics判别中说过，

我们通过的值来判断正例负例，之前我们的判断依据是，阈值为1，我们设定新的阈值

其中分别代表负例和正例的数目，如果两者接近，该阈值就为1。

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