【机器学习】--- 逻辑回归算法

逻辑回归基础

1. 概述

逻辑回归是机器学习的一种分类算法，主要运用于二分类问题。将线性回归的结果，映射到不同的类别之中。算法简单而高效，实际广泛运用。

简单来说：逻辑回归 = 线性回归 + $Sigmoid$函数（分类函数）

2.优点与缺点

优点：

1. 简单而且容易实现。逻辑回归的模型相对简单，只需要对输入特征进行线性组合，然后通过$Sigmoid$函数进行分类预测。
2. 计算效率高。逻辑回归的计算量相对较小，可以处理大规模的数据集。
3. 可解释性强。逻辑回归的结果可以解释为某个事件发生的概率，比较直观易懂。
4. 可以在线学习。逻辑回归可以通过梯度下降算法进行在线学习，适用于增量学习和实时预测。

缺点：

1. 对特征的依赖性强。逻辑回归对特征之间的依赖性较为敏感，如果特征之间存在较强的相关性，会导致模型效果较差。
2. 对异常值较为敏感。逻辑回归对异常值较为敏感，可能会影响模型的预测结果。
3. 需要大量的特征工程。为了提高逻辑回归的性能，通常需要进行大量的特征工程，包括特征选择、特征变换等。
4. 无法处理非线性问题。逻辑回归是一种线性模型，无法处理非线性问题，需要通过添加多项式特征或者引入核函数来解决非线性问题。

逻辑回归的理论解释

1.问题背景

现在你有一份数据，里面有病人的肿瘤大小（tumor size）和是否是恶性肿瘤的判断（malignant？），把这份数据可视化，用1来表示恶性肿瘤，0表示良性，这样你就获得了下面这张图。

根据上面的图你可以简单的总结一个函数，如红线所示，来帮助你判断肿瘤是否恶性，现在又来了一个病人，他的肿瘤大小用紫色点表示，根据我们总结的函数，判断出有70%的概率肿瘤是恶性，但是你不能直接输出0.7，只能判断是或否，因此你会输出1（yes），这一条你总结出来的函数就是$Sigmoid$函数

2.$Sigmoid$函数

也称为逻辑函数，具体函数定义如下
$$g(z)=\frac{1}{1+e^{-z}}$$

x坐标是z的值，范围是负无穷到正无穷
值域是（0，1）
图像如下

那么$z$的值是由谁决定的？还记得文章一开头讲的：逻辑回归 = 线性回归 + $Sigmoid$函数（分类函数），$z$的值是从线性回归中得来的

$$z=w^{T}x+b$$
逻辑回归函数表达
$$f_{w,b}(x)=g(z)=g(w^{T}x+b)=\frac{1}{1+e^{-(w^{T}x+b)}}$$

3.决策边界

函数输出0还是1，取决于$f_{w,b}(x)\ge 0.5$，若成立，那么$\hat{y}=1$，反之$\hat{y}=0$

下图是一组数据集，蓝色圆圈$\hat{y}$输出为0，红色交叉$\hat{y}$输出为1，经过逻辑回归可以获得其回归函数


根据$Sigmoid$函数，$z=0$点就是两个类别的分隔点

• $z=x_1+x_2-3=0$
• $x_1+x_2=3$

那么得到的这条线，就叫做决策边界，只要点出现在决策边界下方，就输出0，出现在决策边界上方，就输出1

当然，决策边界也不一定是直线，也可以是曲线

• $z=x_1^2+x_2^2-1$
• $x_1^2+x_2^2=1$

4.损失函数

$$L(f_{w,b}(x^{(i)}),y^{(i)})=\{\begin{array}{ll}-log(f_{w,b}(x^{(i)})),& \text{if y(i)=1}\\ & \\ -log(1-f_{w,b}(x^{(i)})),& \text{if y(i)=0}\end{array}$$

or

$$L(f_{w,b}(x^{(i)}),y^{(i)})=-y^{(i)}log(f_{w,b}(x^{(i)}))+(1-y^{(i)})log(1-f_{w,b}(x^{(i)}))$$
以上两条式子完全等价
那么代价函数就是每一个点的损失累加起来
$$J(w,b)=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^{m}L(f_{w,b}(x^{(i)}),y^{(i)})$$
使用梯度下降的方法，找到代价函数的1阶导最小值即可，有关梯度下降的介绍可以看线性回归中的介绍
【机器学习】-- 线性回归算法

正则化

为了防止模型出现过拟合的问题，出现原本数据集没有的特征，可以采取正则化的方法，来降低高次方项的系数

正则化就是在计算代价函数时，增加惩罚项，来逼迫模型减小高次方项的系数

1.L1正则化

$$J(w,b)=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^{m}L(f_{w,b}(x^{(i)}),y^{(i)})+\sum \frac{\lambda }{m}|w_i|$$
$\lambda$表示惩罚力度，过高可能会导致欠拟合，过低可能会导致过拟合，因此通常要搭配网格搜索方法来寻找最佳的惩罚力度

2.L2正则化

$$J(w,b)=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^{m}L(f_{w,b}(x^{(i)}),y^{(i)})+\sum \frac{\lambda }{2m}{w}_i^2$$