機器學習:邏輯回歸(損失函數及其梯度推導、代碼實現)


一、線性模型預測一個樣本的損失量

  • 損失量:模型對樣本的預測結果和該樣本對應的實際結果的差距;

 1)為什么會想到用 y = -log(x) 函數?

  • (該函數稱為 懲罰函數:預測結果與實際值的偏差越大,懲罰越大

 

  1. y = 1(p ≥ 0.5)時,cost = -log(p),p 越小,樣本發生概率越小(最小為 0),則損失函數越大,分類預測值和實際值的偏差越大;相反,p 越大,樣本發生概率越大(最大為 0.5),則損失函數越小,則預測值和實際值的偏差越小;
  2. y = 0(p ≤ 0.5)時,cost = -log(1-p),p 越小,樣本發生概率越小(最小為 0.5),則損失函數越大,分類預測值和實際值的偏差越大;相反,p 越大,樣本發生概率越大(最大為 1),則損失函數越小,則預測值和實際值的偏差越小;

 

 2)求一個樣本的損失量

  • 由於邏輯回歸解決的是分類問題,而且是二分類,因此定義損失函數時也要有兩類
  • 懲罰函數變形:
  • 懲罰函數作用:計算預測結果針對實際值的損失量;
  1. 已知樣本發生的概率 p(也可以相應求出預測值),以及該樣本的實際分類結果,得出此次預測結果針對真值的損失量是多少;

 

 

二、求數據集的損失函數

  • 模型變形,得到數據集的損失函數數據集中的所有樣本的損失值的和

 

  • 最終的損失函數模型
  1. 該模型不能優化成簡單的數學表達式(或者說是正規方程解:線性回歸算法找那個的fit_normal() 方法),只能使用梯度下降法求解;
  2. 該函數為凸函數,沒有局部最優解,只存在全局最優解;

 

 

三、邏輯回歸損失函數的梯度

  • 損失函數:

 

 1)σ(t) 函數的導數

 

 2)log(σ(t)) 函數的導數

 

  • 變形:

 

 3)log(1 - σ(t)) 函數的導數

 

 

 3)對損失函數 J(θ) 的其中某一項(第 i 行,第 j 列)求導

  1. 兩式相加:

 

 5)損失函數 J(θ) 的梯度

 

  • 與線性回歸梯度對比
  1. 兩者的預測值 ý 不同

 

  • 梯度向量化處理

 

 

四、代碼實現邏輯回歸算法

  • 邏輯回歸算法是在線性回歸算法的基礎上演變的;

 1)代碼

  • import numpy as np
    from .metrics import accuracy_score
    
    # accuracy_score方法:查看准確率
    
    class LogisticRegression:
    
        def __init__(self):
            """初始化Logistic Regression模型"""
            self.coef_ = None
            self.intercept_ = None
            self._theta = None
    
        def _sigmiod(self, t):
            """函數名首部為'_',表明該函數為私有函數,其它模塊不能調用"""
            return 1. / (1. + np.exp(-t))
    
        def fit(self, X_train, y_train, eta=0.01, n_iters=1e4):
            """根據訓練數據集X_train, y_train, 使用梯度下降法訓練Logistic Regression模型"""
            assert X_train.shape[0] == y_train.shape[0], \
                "the size of X_train must be equal to the size of y_train"
    
            def J(theta, X_b, y):
                y_hat = self._sigmiod(X_b.dot(theta))
                try:
                    return - np.sum(y*np.log(y_hat) + (1-y)*np.log(1-y_hat)) / len(y)
                except:
                    return float('inf')
    
            def dJ(theta, X_b, y):
                return X_b.T.dot(self._sigmiod(X_b.dot(theta)) - y) / len(X_b)
    
            def gradient_descent(X_b, y, initial_theta, eta, n_iters=1e4, epsilon=1e-8):
    
                theta = initial_theta
                cur_iter = 0
    
                while cur_iter < n_iters:
                    gradient = dJ(theta, X_b, y)
                    last_theta = theta
                    theta = theta - eta * gradient
                    if (abs(J(theta, X_b, y) - J(last_theta, X_b, y)) < epsilon):
                        break
    
                    cur_iter += 1
    
                return theta
    
            X_b = np.hstack([np.ones((len(X_train), 1)), X_train])
            initial_theta = np.zeros(X_b.shape[1])
            self._theta = gradient_descent(X_b, y_train, initial_theta, eta, n_iters)
    
            self.intercept_ = self._theta[0]
            self.coef_ = self._theta[1:]
    
            return self
    
        def predict_proda(self, X_predict):
            """給定待預測數據集X_predict,返回 X_predict 中的樣本的發生的概率向量"""
            assert self.intercept_ is not None and self.coef_ is not None, \
                "must fit before predict!"
            assert X_predict.shape[1] == len(self.coef_), \
                "the feature number of X_predict must be equal to X_train"
    
            X_b = np.hstack([np.ones((len(X_predict), 1)), X_predict])
            return self._sigmiod(X_b.dot(self._theta))
    
        def predict(self, X_predict):
            """給定待預測數據集X_predict,返回表示X_predict的分類結果的向量"""
            assert self.intercept_ is not None and self.coef_ is not None, \
                "must fit before predict!"
            assert X_predict.shape[1] == len(self.coef_), \
                "the feature number of X_predict must be equal to X_train"
    
            proda = self.predict_proda(X_predict)
            # proda:單個待預測樣本的發生概率
            # proda >= 0.5:返回元素為布爾類型的向量;
            # np.array(proda >= 0.5, dtype='int'):將布爾數據類型的向量轉化為元素為 int 型的數組,則該數組中的 0 和 1 代表兩種不同的分類類別;
            return np.array(proda >= 0.5, dtype='int')
    
        def score(self, X_test, y_test):
            """根據測試數據集 X_test 和 y_test 確定當前模型的准確度"""
    
            y_predict = self.predict(X_test)
            # 分類問題的化,查看標准是分類的准確度:accuracy_score(y_test, y_predict)
            return accuracy_score(y_test, y_predict)
    
        def __repr__(self):
            """實例化類之后,輸出顯示 LogisticRegression()"""
            return "LogisticRegression()"

     

 2)使用自己的算法(Jupyter NoteBook 中使用)

  • 代碼
    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    from sklearn import datasets
    
    iris = datasets.load_iris()
    X = iris.data
    y = iris.target
    X = X[y<2, :2]
    y = y[y<2]
    
    
    from playML.train_test_split import train_test_split
    X_train, X_test, y_train, y_test
    = train_test_split(X, y, seed=666)
    from playML.LogisticRegression import LogisticRegression log_reg = LogisticRegression() log_reg.fit(X_train, y_train) log_reg.score(X_test, y_test) # 輸出:1.0 # 查看測試數據集的樣本發生的概率 log_reg.predict_proda(X_test) # 輸出:array([0.92972035, 0.98664939, 0.14852024, 0.17601199, 0.0369836 , 0.0186637 , 0.04936918, 0.99669244, 0.97993941, 0.74524655, 0.04473194, 0.00339285, 0.26131273, 0.0369836 , 0.84192923, 0.79892262, 0.82890209, 0.32358166, 0.06535323, 0.20735334])

     


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