机器学习--逻辑回归

逻辑回归

前情提要：线性回归

关于分类 $Classification$

  在逻辑回归中，我们只讨论 y ∈ { 0 , 1 } y\in\{0, 1\} y∈{0,1} 的情况。其中 $1$ 表示 $positiveclass$，$0$ 表示 $negativeclass$。

对线性回归进行修改

  在线性回归中，我们有 $h(x)=w^{T}x$（这里写的是增加了 $x_0^{(i)}$ 和 $w_0$ 的），而在逻辑回归中，我们希望 $h(x)\in [0,1]$，而 $h(x)$ 的值具体代表着 $y=1$ 的概率，所以我们需要引入一个函数：$sigmoidfunction$，也叫 $logisticfunction$：

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

  图像长这样：

  我们可以看到，这个函数过点 $(0,0.5)$

  我们考虑把 $h(x)$ 改成这样：

$$h(x^{(i)})=g(w^T{x}^{(i)})=P(y=1|x;w)$$

  如果我们考虑将概率超过 $\frac{1}{2}$ 的归为 $y=1$ 的一类，并把概率小于 $\frac{1}{2}$ 的归为 $y=0$ 的这一类的话，我们会发现一件事：

1. $h(x^{(i)})>\frac{1}{2}$ 时 $g(w^T{x}^{(i)})>\frac{1}{2}$ 又因为 $g(t)$ 单增且过 $(0,\frac{1}{2})$，所以此时 $w^T{x}^{(i)}>0$
2. $h(x^{(i)})\le \frac{1}{2}$ 时 $g(w^T{x}^{(i)})\le \frac{1}{2}$ 又因为 $g(t)$ 单增且过 $(0,\frac{1}{2})$，所以此时 $w^T{x}^{(i)}\le 0$

  也就是说：

1. y被判定为 $1$ 时 $w^T{x}^{(i)}>0$
2. y被判定为 $0$ 时 $w^T{x}^{(i)}\le 0$

  而在线性回归中 $w^T{x}^{(i)}$ 是表示我们拟合出来的那条直线（二维的情况下，一下解释也是二维的情况下，高维就类比就行了）。而并且上过高中的都知道，$w^T{x}^{(i)}>0$ 表示的是这条直线上方的半平面部分，而 $w^T{x}^{(i)}\le 0$ 表示的是这条直线下方的半平面部分。

  也就是说，我们用 $w^T{x}^{(i)}$ 这条直线将平面分成了两部分，一部分中的点是 $y=1$ 的点，另一部分是 $y=0$ 的点。

构造 $costfunction$

  同样的，我们考虑和线性回归一样构造一个表示差异程度的函数，然后用 $GD$ 最小化它就解决了，这里，我们有：

$$cost(x,y)=\{\begin{array}{cc}-\ln (h(x))& ify=1\\ -\ln (1-h(x))& ify=0\end{array}$$

  也可以写成：

$$cost(x,y)=-[y\ln h(x)+(1-y)\ln (1-h(x))]$$

  我们来分类讨论一下：

1. $y=1$ 时，$h(x)\to 1$ 时，$cost$ 应该趋近于 $0$ 且 $h(x)\to 0$ 时，$cost$ 应该很大。而 $-\ln x$ 的图像刚好满足这个性质
2. $y=0$ 时，$h(x)\to 0$ 时，$cost$ 应该趋近于 $0$ 且 $h(x)\to 1$ 时，$cost$ 应该很大。而 $-\ln (1-x)$ 的图像刚好满足这个性质

  然后我们就有我们的 $costfunction$：

$$J(w)=-\sum _{i=1}^m[y\ln h(x)+(1-y)\ln (1-h(x))]$$

  之后 $gd$ 就搞定了