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逻辑回归（Logistic Regression）原理（理论篇）_逻辑回归算法原理

作者：笔触狂放9 | 2024-03-21 07:22:40

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逻辑回归算法原理

一、逻辑回归简介及应用

logistic回归又称logistic回归分析，是一种广义的线性回归分析模型，常用于数据挖掘，疾病自动诊断，经济预测等领域。例如，探讨引发疾病的危险因素，并根据危险因素预测疾病发生的概率等。以胃癌病情分析为例，选择两组人群，一组是胃癌组，一组是非胃癌组，两组人群必定具有不同的体征与生活方式等。因此因变量就为是否胃癌，值为“是”或“否”，自变量就可以包括很多了，如年龄、性别、饮食习惯、幽门螺杆菌感染等。然后通过logistic回归分析，可以得到自变量的权重，同时根据该权值可以根据危险因素预测一个人患癌症的可能性。

Logistic回归的因变量可以是二分类的，如上述中是否患胃癌；也可以是多分类的，如mnist手写识别，但是二分类的更为常用，也更加容易解释。所以实际中最常用的就是二分类的Logistic回归。

二、逻辑回归的原理

谈到回归问题，第一反应是： $y = kx+b$ 在二维平面上是一条直线。当 $k$ 和 $b$ 确定时，对于回归问题，假设 $x$ 为面积，经过线性映射，可以得到其体积 $y$ ，则完成回归任务；对于分类问题，假设 $x$ 为某个特征，经过线性映射，得到 $y$ >0，或<0，或=0，若规定大于0的为正标签，小于等于0的为负标签，则完成了分类任务。

同理可得，当方程为多元方程时： $f(x)=w_{1}x_{1}+w_{2}x_{2}+w_{3}x_{3}+\begin{matrix} ... \end{matrix}+w_{n}x_{1n}+b=\overrightarrow{w}\cdot \overrightarrow{x}+b=w^{T}x$ ，如下图所示：

如果继续对多元方程回归得到的 $f(x)$ 规定大于0的为正标签，小于等于0的为负标签。由于 $f(x)$ 的值域为 $\left ( -\infty, +\infty \right )$ ，这样规定对于决策很不友好；若 $f(w)\in \left [ 0,1 \right ]$ ，规定大于阈值0.5为正标签，小于等于阈值0.5为负标签，那么越比0.5大，就越说明决策函数给出的正类的可信度越高，反之亦然。这样不仅灵活，而且可以根据数据情况调整不同的阈值来达到最佳准召率。

（1）sigmoid函数

输入数据 $x_{i}$ ，经过函数映射为 $\left [ 0\sim 1 \right ]$ ，该函数为sigmoid函数，形式为 $sigmoid=\frac{1}{1+e^{-z}}$

（2）输入和输出形式

输入： $x=\left ( x_{1}\,\, x_{2}\,\, x_{3}\,\, \begin{matrix} ... \end{matrix}x_{n}\,\,1\right )$

输出： $p=\frac{1}{1+e^{-\left ( w_{_{1}}x_{1}+w_{_{2}}x_{2}+w_{_{3}}x_{3}+\begin{matrix} ... \end{matrix}+w_{_{n}}x_{n}+b\right )}} =\frac{1}{1+e^{-\left ( \vec{w}\cdot \vec{x}+b \right )}}$ ，其中 $\sigma (z)=\frac{1}{1+e^{-z}}$

这里 $\vec{x}$ 和 $\vec{w}$ 如图所示，分别为输入数据和待求参数， $b$ 为偏置项，为了后续推导方便，设定： $\vec{w}\cdot \vec{x}+b=w^{^{T}}x$ ，即 $w=\left ( w_{1} \, \, w_{2}\, \, w_{3}\, \,\begin{matrix} ...& \end{matrix} w_{n} \, \, b\right )$ ， $x=\left ( x_{1}\,\, x_{2}\,\, x_{3}\,\, \begin{matrix} ... \end{matrix}x_{n}\,\,1\right )$ 。

输出值 $a$ 就是概率值，对 $a$ 中参数 $w,b$ 的求导过程如下所示，后面会用到，先求出来放在这里哈：

$a'=(\frac{1}{1+e^{-(w^{T}x)}})'=\frac{e^{-w^{T}x}\cdot x^{T}}{(1+e^{-w^{T}x})^{2}}=a(1-a)x^{T}$

求导过程为除法求导运算法则，需要注意一个推导公式： $(w^{T}x)'=\frac{\partial w^{T}x}{\partial w}=x^{T}$ 。

（3）基于目标函数求解参数w

极大似然估计提供了一种基于给定观察数据来评估模型参数的方法，即：“模型已定，参数未知”。简单说来，就是知道了模型和结果，求解使得事件结果以最大概率发生时出现的参数。

基于逻辑回归的计算式，对应标签1和0的概率分别为： $P(Y=1|X)=\frac{1}{1+e^{-(w^{T}x)}}=p(x)$ $P(Y=0|X)=\frac{1}{1+e^{-(w^{T}x)}}=1-p(x)$

第一步，构造极大似然函数，计算这些样本的似然函数，其实就是把每个样本的概率乘起来，

$L(w,x)=\prod_{i=1}^{n}P(y_{i}|x_{i})=\prod_{i=1}^{n}p^{y_{i}}(1-p)^{(1-y_{i})}$

第二步，两边取对数得： $ln\prod_{i=1}^{n}p^{y_{i}}(1-p)^{(1-y_{i})}=\sum_{i=1}^{n}y_{i}lnp+\sum_{i=1}^{n}(1-y_{i})ln(1-p)$

tips：由于极大似然函数中有连乘符号，取对数，将连乘变为加和。

目标函数为： $L(x,w)=\sum_{i=1}^{n}y_{i}lnp+\sum_{i=1}^{n}(1-y_{i})ln(1-p)$ 其中，y为真值，p为预测值。

原函数求最大值，等价于乘以负1后求最小值。对于n个数据累加后值较大，用梯度下降容易导致梯度爆炸，可处于样本总数n，即

$L(x,w)=-\frac{1}{n}(\sum_{i=1}^{n}y_{i}lnp+\sum_{i=1}^{n}(1-y_{i})ln(1-p))$

第三步，对目标函数中参数w求导：为了求导过程更清晰，先去掉求和符号

$\frac{\partial L}{\partial w}=-\frac{1}{n}(\frac{y_{i}}{p}{p}'-\frac{1-y_{i}}{1-p}{p}')=-\frac{1}{n}(\frac{y_{i}}{p}-\frac{1-y_{i}}{1-p})p(1-p)x^{T}$

$=-\frac{1}{n}(y_{i}(1-p)x^{T}-(1-y_{i})px^{T} )=-\frac{1}{n}(y_{i}-p)x^{T}$

tips： $p(x)'=p(x)(1-p(x))x^{T}$ ，该求导过程，涉及到对概率值p的求导，这个求导过程在前面已经推导完成。

添加求和符号后为： $\frac{\partial L}{\partial w}=-\frac{1}{n}\sum_{i=n}^{n}(y_{i}-p)x^{T}$

基于梯度下降法求得最优w: $w_{t+1}=w_{t}+\frac{1}{n}\sum_{i=n}^{n}(y_{i}-p)x^{T}$

三、逻辑回归代码复现

后续补充。

参考文献：

【大道至简】机器学习算法之逻辑回归(Logistic Regression)详解(附代码)---非常通俗易懂！

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