【机器学习】逻辑回归(Logistic Regression)

:最近开始学习《人工智能》选修课,老师提纲挈领的介绍了一番,听完课只了解了个大概,剩下的细节只能自己继续摸索。

从本质上讲:机器学习就是一个模型对外界的刺激(训练样本)做出反应,趋利避害(评价标准)。

1. 什么是逻辑回归?

许多人对线性回归都比较熟悉,但知道逻辑回归的人可能就要少的多。从大的类别上来说,逻辑回归是一种有监督的统计学习方法,主要用于对样本进行分类。

在线性回归模型中,输出一般是连续的,例如$$y = f(x) = ax + b$$,对于每一个输入的x,都有一个对应的y输出。模型的定义域和值域都可以是[-∞, +∞]。但是对于逻辑回归,输入可以是连续的[-∞, +∞],但输出一般是离散的,即只有有限多个输出值。例如,其值域可以只有两个值{0, 1},这两个值可以表示对样本的某种分类,高/低、患病/健康、阴性/阳性等,这就是最常见的二分类逻辑回归。因此,从整体上来说,通过逻辑回归模型,我们将在整个实数范围上的x映射到了有限个点上,这样就实现了对x的分类。因为每次拿过来一个x,经过逻辑回归分析,就可以将它归入某一类y中。

逻辑回归与线性回归的关系

逻辑回归也被称为广义线性回归模型,它与线性回归模型的形式基本上相同,都具有 ax+b,其中a和b是待求参数,其区别在于他们的因变量不同,多重线性回归直接将ax+b作为因变量,即y = ax+b,而logistic回归则通过函数S将ax+b对应到一个隐状态p,p = S(ax+b),然后根据p与1-p的大小决定因变量的值。这里的函数S就是Sigmoid函数

$$S(t) = \frac{1}{1 + e^{-t}}$$

将t换成ax+b,可以得到逻辑回归模型的参数形式:$$p(x; a,b) = \frac{1}{1 + e^{-(ax+b)}}  ……(1)$$

【机器学习】逻辑回归(Logistic Regression)

图1:sigmoid函数的图像

通过函数S的作用,我们可以将输出的值限制在区间[0, 1]上,p(x)则可以用来表示概率p(y=1|x),即当一个x发生时,y被分到1那一组的概率。可是,等等,我们上面说y只有两种取值,但是这里却出现了一个区间[0, 1],这是什么鬼??其实在真实情况下,我们最终得到的y的值是在[0, 1]这个区间上的一个数,然后我们可以选择一个阈值,通常是0.5,当y>0.5时,就将这个x归到1这一类,如果y<0.5就将x归到0这一类。但是阈值是可以调整的,比如说一个比较保守的人,可能将阈值设为0.9,也就是说有超过90%的把握,才相信这个x属于1这一类。了解一个算法,最好的办法就是自己从头实现一次。下面是逻辑回归的具体实现。

逻辑回归模型的代价函数

逻辑回归一般使用交叉熵作为代价函数。关于代价函数的具体细节,请参考代价函数,这里只给出交叉熵公式:

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

m:训练样本的个数;

hθ(x):用参数θ和x预测出来的y值;

y:原训练样本中的y值,也就是标准答案

上角标(i):第i个样本

2. 数据准备

下面的数据来自《机器学习实战》中的示例:

-0.017612 14.053064 0 -1.395634 4.662541 1 -0.752157 6.538620 0 -1.322371 7.152853 0 0.423363 11.054677 0 0.406704 7.067335 1 0.667394 12.741452 0 -2.460150 6.866805 1 0.569411 9.548755 0 -0.026632 10.427743 0

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