邏輯回歸背后的數(shù)學(xué)原理

什么是邏輯回歸

邏輯回歸用于分類問題咐吼。在分類問題中簸呈,我們嘗試預(yù)測(cè)目前觀測(cè)目標(biāo)屬于哪一類御铃,它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)離散的二元結(jié)果y∈{0,1}蒿涎。而線性回歸模型產(chǎn)生的預(yù)測(cè)值為z=θTx是實(shí)數(shù)值穿撮,于是我們引入一個(gè)新的模型缺脉,使輸出變量z的值到始終在0和1之間,于是便找到了Sigmoid function悦穿。


Sigmoid function的圖像是一條值在0-1之間的S形曲線攻礼,如圖:
Sigmoid function

通常,我們把Sigmoid fuction計(jì)算得到的值大于等于0.5的歸為類別1栗柒,小于0.5的歸為類別0礁扮。從Sigmoid function圖像可以看出,當(dāng)z≥0時(shí),g(z)≥0.5;當(dāng)z<0時(shí)太伊,g(z)<0.5雇锡。

合起來,我們得到邏輯回歸模型的假設(shè):

hθ(x)的作用是僚焦,對(duì)于給定的輸入變量x锰提,根據(jù)給定的參數(shù)計(jì)算出輸出變量y=1的可能性,即hθ(x)=P(y=1|x;θ)芳悲,我們可以將其視為y=1的后驗(yàn)概率估計(jì)立肘。

邏輯回歸的代價(jià)函數(shù)

我們第一個(gè)想到的自然是模仿線性回歸的做法,利用誤差平方和來當(dāng)代價(jià)函數(shù):

但是問題在于名扛,當(dāng)我們將
帶入到這樣定義了的代價(jià)函數(shù)中時(shí)谅年,我們得到的代價(jià)函數(shù)將是一個(gè)非凸函數(shù)(non-convex function)。
這意味著我們的代價(jià)函數(shù)有許多局部最小值罢洲,這將影響梯度下降算法尋找全局最小值踢故。我們需要尋找一個(gè)凸函數(shù)作為代價(jià)函數(shù)。
那么我們不妨來?yè)Q一個(gè)思路解決這個(gè)問題惹苗。前面說到殿较,我們可以將hθ(x)視為y=1的后驗(yàn)概率估計(jì),所以可以得到:
P(y=1|x;θ) = hθ(x) = g(θTx) = g(z)
P(y=0|x;θ) = 1- g(z)
將這兩式寫成一般形式:P(y|x;θ) = g(z)y(1- g(z))(1-y)
接下來我們就要用極大似然估計(jì)來根據(jù)給定的訓(xùn)練集估計(jì)出參數(shù)θ桩蓉。
為了簡(jiǎn)化運(yùn)算淋纲,我們對(duì)上面這個(gè)等式的兩邊都取一個(gè)對(duì)數(shù) 。
我們現(xiàn)在要求的是使得l(θ)最大的θ院究,而代價(jià)函數(shù)是求是J(θ)最小的θ洽瞬。在l(θ)前加個(gè)負(fù)號(hào),即可變?yōu)樽钚〉囊堤源鷥r(jià)函數(shù)出現(xiàn)了伙窃,J(θ) = -l(θ)。
為了更好地理解代價(jià)函數(shù)样漆,我們?nèi)∫粋€(gè)樣本來看:
J(g(z),y; θ)=? (y ln(g(z)) + (1?y) ln (1?g(z)))
也就是說:

代價(jià)函數(shù)圖像為:
從圖中不難看出为障,如果樣本的值是1的話,估計(jì)值g(z)越接近1付出的代價(jià)就越小放祟,反之越大鳍怨;同理,如果樣本的值是0的話跪妥,估計(jì)值g(z)越接近0付出的代價(jià)就越小鞋喇,反之越大。

利用梯度下降法求參數(shù)

在得到這樣一個(gè)代價(jià)函數(shù)以后眉撵,我們便可以用梯度下降算法來求得能使代價(jià)函數(shù)最小的參數(shù)了侦香。算法為:

Sigmoid function有一個(gè)性質(zhì):g'(z)=g(z)*(1-g(z))落塑,在梯度下降過程中會(huì)用到。

g(z)詳細(xì)求導(dǎo)過程如下:

所以鄙皇,在使用梯度下降法更新權(quán)重時(shí)

注:雖然得到的梯度下降算法表面上看上去與線性回歸的梯度下降算法一樣芜赌, 但是這里的 hθ(x)=g(θTx)與線性回歸中不同,所以實(shí)際上是不一樣的伴逸。

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