統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)之邏輯斯蒂回歸模型推導(dǎo)

Time: 2019-08-08

命名辨別

這個(gè)也叫邏輯斯蒂回歸,但是本身是個(gè)分類模型躬拢,用的是回歸方程的解躲履,作為劃分分類的依據(jù)。

在周志華的西瓜書(shū)中提到聊闯,用邏輯斯蒂回歸這個(gè)名稱并不是很好工猜,用對(duì)數(shù)幾率回歸要更好。

對(duì)數(shù)幾率回歸菱蔬,恰好按照順序?qū)?yīng)了下面這個(gè)公式:

ln \frac{y}{1 - y} = w^T x + b

從線性回歸說(shuō)起

首先我們還是要再明確一下篷帅,無(wú)論是線性回歸模型還是Logistic Regression模型史侣,需要學(xué)習(xí)推導(dǎo)的參數(shù)都是w,b

經(jīng)典的線性回歸方程是:

h(\overrightarrow x) = w_1x_1 + w_2x_2+...+w_mx_m + b

假定有m個(gè)數(shù)據(jù)魏身。

為了方便惊橱,我們用向量化(不再顯示用箭頭表示向量了下面)表示:

h(x) = w^T x + b

線性回歸模型得到的是實(shí)數(shù)值,現(xiàn)在我們想的是能夠用線性回歸模型來(lái)分類箭昵。

sigmoid函數(shù)

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

這是一個(gè) S型遞增函數(shù)税朴,具體我就不找圖顯示了。值域?yàn)?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=(0%2C%201)" alt="(0, 1)" mathimg="1">家制,定義域?yàn)?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=(-%5Cinfty%2C%20%2B%5Cinfty)" alt="(-\infty, +\infty)" mathimg="1">正林,且關(guān)于y = 0.5對(duì)稱。

邏輯斯蒂回歸模型

現(xiàn)在到了組合二者的時(shí)候了:

y = g(h(x)), \\ g(z) = \frac{1}{1 + e^{-z}}

從而:
y = \frac{1}{1 + e^{-w^Tx + b}}

其中颤殴,y可以表示樣本x為正例的可能性觅廓。

幾率

幾率表示該事件發(fā)生的概率與該事件不發(fā)生的概率的比值。該比值可以衡量事件發(fā)生的概率涵但。

logits = \frac{y}{1-y} = e^{w^Tx + b}

兩邊取對(duì)數(shù)得到:

ln{\frac{y}{1-y}} = w^Tx + b

由此得到杈绸,可以用線性回歸的值來(lái)解分類問(wèn)題。

Sigmoid函數(shù)將取值范圍壓縮到了(0,1)之間矮瘟,而且恰好以y = 0.5作為分界瞳脓,y_i = {0,1},假定數(shù)據(jù)是均勻的芥永,那么y = 0和y = 1的取值對(duì)應(yīng)的樣本概率是一樣的篡殷。

所以钝吮,我們認(rèn)為分界線以下為負(fù)樣本埋涧,分界線以上為正樣本。

同時(shí)奇瘦,兩個(gè)樣例的條件概率取值如下:

p(y = 1 | x) = \frac{e^{w^Tx + b}}{1 + e^{w^Tx+b}}, \\ p(y = 0 | x) = \frac{1}{1 + e^{w^Tx+b}}

假定我們知道了w,b的值棘催,就可以直接求出這兩個(gè)概率,誰(shuí)大耳标,則表示數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分到哪個(gè)類中去醇坝。

現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了,如何估算出w和b次坡?

模型參數(shù)求解

用的是極大似然函數(shù)求解問(wèn)題呼猪,這樣我們就有了要優(yōu)化的量化目標(biāo)。

L(w,b) = \prod_{i=0}^m[p(x_i, y_i | w,b)]

其中砸琅,很多書(shū)上用的是:

L(w,b) = \prod_{i=0}^m[p(y_i | x_i; w,b)]

條件概率的形式宋距。

我的理解是每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)出現(xiàn)的概率,用聯(lián)合概率的形式症脂,不過(guò)二者之間有轉(zhuǎn)換關(guān)系谚赎。

令:
\pi(x) = p(y = 1 | x), \\ 1 - \pi(x) = p(y = 0 | x)

則:

p(y_i | x_i;w,b) = \pi(x_i)^{y_i} \cdot(1 - \pi(x_i))^{1-y_i}

這樣的話淫僻,剛好可以在y取0或1時(shí),得出對(duì)應(yīng)的概率表達(dá)式壶唤。

現(xiàn)在我們可以再看對(duì)數(shù)似然函數(shù)的形式:

L(w, b) = \prod_{i=1}^m[y_ilog\pi(x_i) + (1-y_i)log(1-\pi(x_i))] \\ = \prod_{i=1}^m[y_i(w^Tx + b) + log(1-\pi(x_i))] \\ = \prod_{i=1}^m[y_i(w^Tx + b) - log(1 + e^{w^Tx_i + b})]

這樣就完全轉(zhuǎn)化為對(duì)w,b的函數(shù)了雳灵,求偏導(dǎo),梯度下降法可逼近w闸盔,b悯辙, 也可以用擬牛頓法直接求解,然后代入求解概率的公式中蕾殴,誰(shuí)大就表示哪類即可笑撞。

END.

參考:

《機(jī)器學(xué)習(xí)》,周志華
《統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)》钓觉,李航

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